里約奧運會，主教练郎平在一系列的热身赛之后确认了中国女排出征奥运会的大名单，原主力二传沈静思和接应曾春蕾均落选，中国队以年轻阵容征战奥运会，队中只有魏秋月，徐云丽和惠若琪参加过奥运会。小组赛中国队分到了B组，和世界杯亚军塞尔维亚，世界第一美国队，欧洲劲旅荷兰和意大利分在了同一组。小组赛首轮，中国队在2:1领先的情况下被荷兰队逆转。之后对阵意大利和波多黎各，中国队均轻松获胜，确保了小组出线。小组赛第四轮，中国队0:3惨败于塞尔维亚队，有两局比分没有超过20分。中国女排最后一轮对阵美国女排，尽管状态有回升，仍然以1:3被美国队逆转，以B组小组排名第4出线的不利情况下惊险晋级。淘汰赛（1/4决赛）中国队对阵A组第一，全胜且未失一局的东道主巴西女排，中国队首局仅获15分，郎平教练果断变阵，派上多名年轻球员，最终3:2逆转力克卫冕冠军东道主巴西队，进入四强。半决赛中，中国队对阵荷兰队，比赛进行的异常激烈，每局最终分差都为两分，中国队由于在关键分上的把握更胜一筹，3:1险胜对手晋级决赛，核心朱婷单场得分达到33分。决赛对阵黑马塞尔维亚女排，首局落败后郎平再次变阵，中国女排在发球，拦网和防守上给了对手更大压力，包括有效抑制了塞尔维亚队的进攻核心米哈伊洛维奇，最终中国女排3:1战胜对手，继雅典奥运会后时隔12年再度获得金牌夺得奥运会女排冠军。核心朱婷荣膺最佳主攻和MVP（最有价值球员），自由人林莉也入选了最佳阵容。