La Croate s'aligne tout de même aux qualifications des Jeux olympiques de Rio, le 18 août et se qualifie pour la finale grâce à un saut à 1,94 m. Deux jours plus tard, elle ouvre son concours en franchissant 1,88 m au essai, la plaçant au 12e rang provisoire. Elle maitrise également la barre suivante, 1,93 m, au essai et se classe désormais . À 1,97 m, l'Espagnole Ruth Beitia et la Bulgare Mirela Demireva effacent la hauteur dès leurs premières tentatives, tandis que Vlašić le réalise au essai à nouveau. À ce stade de la compétition, elle est en position de médaille de bronze provisoire, mais il y a encore quatre athlètes en course car l'Américaine Chaunté Lowe franchit cette hauteur à sa troisième tentative. À 2 mètres, ni Beitia ni Demireva ne réussissent leurs trois sauts. La native de Split possède alors la possibilité de prendre la tête du concours et d'obtenir un sacre olympique mais elle échoue de peu à son dernier saut et doit attendre celui de Chaunté Lowe pour savoir si elle décrochera le bronze ou bien la quatrième place. Lowe échoue finalement, laissant Blanka Vlašić conquérir pour la deuxième fois une médaille olympique (en bronze) après l'incroyable finale des Jeux olympiques de 2008.