Ai Giochi olimpici di prese parte alla gara dei 400 m sl, in cui avvicinò nuovamente il record di Rosolino, mancandolo per appena nove centesimi; il risultato gli permise comunque di vincere una medaglia di bronzo alle spalle dell'australiano Mack Horton e del cinese Sun Yang. Alcuni giorni dopo, Detti partecipò alla gara dei 1500 m sl, dove riuscì a conquistare il suo secondo bronzo olimpico, alle spalle di Paltrinieri e dello statunitense Connor Jaeger; la prestazione gli valse il miglioramento del proprio record personale di quasi sei secondi ed inoltre rappresentò un evento storico per il nuoto azzurro: due italiani sullo stesso podio olimpico si erano visti solo nel 2000, quando Domenico Fioravanti e Davide Rummolo avevano vinto l'oro e il bronzo nei 200 m rana.