Заняв в рейтинге WSB четвёртое место, Доннелли не мог рассчитывать на попадание в число участников летних Олимпийских игр 2016 года в Рио-де-Жанейро, поскольку лицензию получали только два первых боксёра. Однако двое из тех, кто находился выше него в рейтинге, получили лицензию другими способами, поэтому в конечном счёте Стивен всё же оказался в олимпийской сборной Ирландии. Выступая в категории до 69 кг, он благополучно прошёл первых двоих соперников по турнирной сетке, алжирца Зохира Кедаша и монгола Бямбына Тувшинбата, тогда как третьем четвертьфинальном бою раздельным решением судей потерпел поражение от марокканца Мохаммеда Рабии.