同年8月，奥原希望代表日本參加巴西里約熱內盧舉行的奥林匹克运动会羽毛球比賽，以赛会6號種子身分出戰女子單打項目。在小組賽階段，她先後擊敗越南的武氏妆和印尼的琳达·韦尼·法内特里，順利晉級淘汰賽。她先在16強賽中以2比0（21-6、21-7）横扫韩国的裴延姝，又在半準決賽的德比戰中，以2比1（11-21、21-17、21-10）逆轉拿下队友山口茜。及至準決賽，奥原面對印度的普萨拉·文卡塔·辛德胡，最終以0比2（19-21、10-21）落敗，无缘決賽。在其後進行的季軍戰中，她因对手李雪芮棄權而拿得了铜牌，創下日本女单在历屆奧運會的最佳成績。奥原回国后，在日本长野县大町市参加了盛大的庆祝游行活动。