På dag 4 kom lekenes tredje og siste verdensrekord. Anita Włodarczyk fra Polen tok et suverent gull i kvinnenes sleggekast med et kast på 82,29 meter, over én meter lenger enn hennes egen verdensrekord. Fire av hennes seks kast ville vært gode nok til å ta gull. En annen verdensrekord kunne også blitt satt på 3000 meter hinder for kvinner, men Ruth Jebet slakket farten de siste meterne for å feire sitt og Bahrains første OL-gull noensinne. På kvinnenes 400 meter ble Allyson Felix fra USA stoppet fra å vinne sitt femte OL-gull av Shaunae Miller fra Bahamas, som stupte over mållinjen i siste sekund. På herrenes 800 meter forsvarte verdensrekordholder David Rudisha OL-tittelen, den første på den distansen på 50 år. Vertnasjonens første gull kom også den fjerde dagen, da Thiago Braz da Silva noe overraskende vant stavsprang foran favoritten Renaud Lavillenie, med ny olympisk rekord på 6,03. Da Lavillenie skulle gjøre sitt siste forsøk i konkurransen, buet det brasilianske publikumet voldsomt, noe som går i mot tradisjonene i OL. Lavillenie ble også buet på under medaljeseremonien dagen etter, etter å ha sammenlignet behandlingen han fikk av publikum med den som Jesse Owens fikk i Sommer-OL 1936. Publikums behandling av Lavillenie ble også kritisert av da Silva, IOC-president Thomas Bach og IAAF-president Sebastian Coe, men forsvart av noen som en del av idrettskulturen i Brasil.