2016年8月，卡罗列娜·马琳第二次代表西班牙出戰巴西里約熱內盧舉行的奥林匹克运动会羽毛球比賽女子單打項目，在小組賽階段先後擊敗丹麦的萊恩·杰克斯菲德和芬兰的南纳·瓦尼奥，順利晉級淘汰賽。首輪輪空，以赛会1號種子和小组取胜直接晉級八强。半準決賽，卡罗列娜·马琳面對赛会7号种子、韩国的成池鉉，她拥有绝对实力以2比0（21-12、21-16），拿下对手。準決賽，卡罗列娜·马琳面對赛会3号种子、中国的李雪芮，以2比0（21-14、21-16），轻取赢下