2016年8月，李宗偉第四度參加奧運會，並以第一種子的身分出戰2016年夏季奧林匹克運動會羽毛球比賽男子單打項目。他在晉級淘汰賽後在首輪輪空，並在八強時以直落二贏中華台北的周天成。李宗偉在準決賽中遭遇宿敵林丹，經過三局大戰後，最終以2比1（15-21、21-11、22-20）險勝，賽後李宗偉表示「之前沒想過會贏出這場比賽，因為我從未在大賽贏過林丹。」但在隔天的決賽上，最終以0比2（18-21、18-21）不敵上屆奧運銅牌得主諶龍，連續三屆奧運皆獲得銀牌，依舊與大賽冠軍無緣。賽後李宗偉表示连续3届奥运均夺得银牌，自己难免有失落。