In seguito, Pavljučenkova partecipa al torneo olimpico di Tokyo, dove prende parte al singolare e al doppio misto. Nell'evento individuale, da 13° testa di serie, raggiunge i quarti di finale eliminando nettamente Errani (6-0 6-1), Friedsam (6-1 6-1) e Sorribes Tormo (6-1 6-3); tra le ultime otto, si arrende alla futura medaglia d'oro Belinda Bencic per 0-6 6-3 3-6. Nell'evento misto, assieme ad Andrej Rublëv, arriva nell'ultimo atto, battendo Jurak/Dodig (5-7 6-4 [11-9]), Shibahara/McLachlan (7-5 6(0)-7 [10-8]) e Barty/Peers (5-7 6-4 [13-11]). In finale, Anastasija e Andrej si aggiudicano il derby contro Vesnina/Karacev per 6-3 6(5)-7 [13-11], annullando anche un match-point; per Pavljučenkova è medaglia d'oro, la prima in assoluto per degli atleti russi nella specialità mista del tennis.