Zum Saisonauftakt 2016 konnte Kassatkina in Auckland mit Venus Williams ihren ersten Sieg gegen eine Top-10-Spielerin landen. Bei ihrer ersten Teilnahme an den Australian Open erreichte sie, wie auch später bei den French Open und in Wimbledon die dritte Runde. Anschließend erzielte sie in St. Petersburg nach einem Erfolg über Dominika Cibulková ihr erstes Halbfinale auf der WTA-Tour, in dem sie gegen Belinda Bencic verlor. In Indian Wells stand sie dann im Frühjahr erstmals im Viertelfinale eines Turniers der Premier-Mandatory-Kategorie. Auch beim Rogers Cup in Montreal erreichte Kassatkina die Runde der letzten Acht und errang im Achtelfinale gegen Roberta Vinci ihren zweiten Top-10-Erfolg. Bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro erreichte sie nach Siegen über Zheng Saisai und Sara Errani das Viertelfinale, in dem sie sich Madison Keys geschlagen geben musste. Am Ende des Jahres verbesserte sich Kassatkina so in die Top 30 der Weltrangliste.