2016年3月，山口茜出战德國羽毛球黃金大獎賽，在女单準决赛以1比2（13-21、21-19、19-21）不敌赛会4号种子、中国的王適嫻。同年4月，她出战新加坡羽毛球超級賽，在女单準决赛以0比2（12-21、20-22）不敌赛会3号种子、世锦赛冠军的拉差诺·因达农。同年5月，她入选優霸盃的女单主力，助日本队赢得女子團體季军。同年8月，她第一次代表日本出戰在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。她在小組賽階段先後擊敗马来西亚的鄭清憶和捷克的克里斯蒂娜·加文霍尔特，順利晉級淘汰賽。首輪，山口茜以2比0（21-19、21-16）擊敗赛会4號種子、泰国的拉差诺·因达农。但在半準決賽，面對隊友及赛会6号种子奥原希望，她以1比2（21-11、17-21、10-21）落敗，止步八強。同年9月，她出战日本羽毛球超級賽，在女单準决赛以0比2（17-21、18-21）不敌赛会7号种子、中国的孙瑜。同期9月，她出战韓國羽毛球超級賽，在女单决赛以2比1（20-22、21-15、21-18）力克赛会5号种子、东道主的成池鉉，夺得今年首个女单冠军。同年10月，她出战丹麥羽毛球首要超級賽，在女单决赛以2比1（19-21、21-14、21-12）力挫赛会2号种子、中华台北一姐的戴資穎，赢得羽球生涯第一座首要超級賽女单冠军。