Nach einem schwachen Jahr 2015, in dem Zhang bis zu ihrem Sieg zum Saisonabschluss beim ITF-Turnier der $100.000-Kategorie in Tokio nur einen Hauptrundenerfolg auf WTA-Ebene sowie eine Viertelfinalteilnahme auf der ITF-Tour verbuchen konnte, fiel sie deutlich aus den Top 100 der Weltrangliste heraus. 2016 meldete sie sich jedoch eindrucksvoll zurück, als sie bei den Australian Open als Qualifikantin nach zuvor 14 Niederlagen in der ersten Runde, zum Auftakt gegen die Weltranglistenzweite Simona Halep ihren ersten Sieg im Hauptfeld eines Grand-Slam-Turniers erzielen konnte und daraufhin bis ins Viertelfinale vorrückte, in dem sie von Johanna Konta geschlagen wurde. Bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro besiegte sie in der Einzelkonkurrenz zunächst Timea Bacsinszky, bevor sie in der zweiten Runde Laura Siegemund unterlag. Im Doppelwettbewerb ging sie mit Peng Shuai an den Start; die Beiden setzten sich zum Auftakt gegen Sania Mirza und Prarthana Thombare durch, schieden jedoch in der zweiten Runde gegen die an Position sechs gesetzten Andrea Hlaváčková und Lucie Hradecká aus. Bis zum Saisonende konnte Zhang noch zwei weitere Halbfinals in Tokio und Seoul sowie ihr erstes Viertelfinale bei einem Premier Mandatory-Turnier in Peking erreichen, wo sie zum zweiten Mal in der Saison gegen Simona Halep gewinnen konnte, bevor sie erneut von Johanna Konta gestoppt wurde. Durch ihre guten Resultate, erhielt sie zudem eine Wildcard für die WTA Elite Trophy in Zhuhai. Dort kam sie nach zwei Vorrundensiegen gegen Timea Bacsinszky und Tímea Babos bis ins Halbfinale, in dem sie an Petra Kvitová scheiterte. Die Saison noch nicht beendend, verteidigte sie anschließend ihren Titel in Tokio und zog beim WTA-Challenger in Honolulu ins Finale ein, das sie gegen Catherine Bellis verlor. Am Ende des Jahres erzielte sie mit Platz 23 ihre bislang höchste Weltranglistenposition.