Na igrzyskach olimpijskich w Rio de Janeiro wywalczyła trzy medale. Dwa z nich zdobyła w sztafetach, złoto w konkurencji 4 × 100 m stylem zmiennym, a srebro w sztafecie kraulowej 4 × 100 m, gdzie reprezentantki Stanów Zjednoczonych ustanowiły nowy rekord Ameryki z czasem 3:31,89. Vollmer zdobyła także brązowy medal na dystansie 100 m stylem motylkowym, w finale uzyskawszy czas 56,63.