Na igrzyskach olimpijskich w Rio de Janeiro wywalczył dwa złote medale. Pierwszy zdobył płynąc w sztafecie 4 × 100 m stylem dowolnym. Dressel płynął także w eliminacjach konkurencji sztafet 4 × 100 m stylem zmiennym. Otrzymał swoje drugie złoto po tym jak reprezentacja Stanów Zjednoczonych w finale uplasowała się na pierwszym miejscu, ustanawiając jednocześnie nowy rekord olimpijski. Indywidualnie startował na dystansie 100 m stylem dowolnym, gdzie z czasem 48,02 s zajął szóste miejsce.