En 2016, Goretzka n'est pas convoqué pour participer au Championnat d'Europe, mais Horst Hrubesch fait appel à ses talents pour être le capitaine de l'équipe d'Allemagne olympique aux Jeux Olympiques de Rio. Goretzka ne joue qu'un seul match lors du tournoi face au Mexique (score 2-2). Blessé à l'épaule, il est remplacé par Serge Gnabry à la 28ème minute. Goretzka ne peut plus continuer le tournoi, mais l'Allemagne arrivera tout de même jusqu'en finale.