En août, alors qu'elle est mondiale et non tête de série, elle participe aux Jeux olympiques, où la concurrence est élevée, notamment avec la tenante du titre et numéro 1 mondiale Serena Williams. Pourtant, elle réalise un immense exploit en remportant le tournoi olympique et en devenant par la même occasion la première représentante de Porto Rico à remporter un titre olympique et la première femme à remporter une médaille pour son pays. Sur son parcours, elle bat Polona Hercog ainsi que la tête de série Anastasia Pavlyuchenkova sur le même score (6-3, 6-2), puis elle élimine la mondiale et récente vainqueure de Roland Garros, l'Espagnole Garbiñe Muguruza, et l'Allemande Laura Siegemund en quart, à chaque fois sur le même score net (6-1, 6-1). En demi-finale, elle vainc la mondiale et détentrice de deux Grands Chelems, Petra Kvitová (6-4, 1-6, 6-3) en moins de deux heures, s'assurant alors au moins d'une médaille d'argent. En finale, elle remporte la médaille d'or face à la récente lauréate de l'Open d'Australie, l'Allemande Angelique Kerber, mondiale, dans un combat de deux heures (6-4, 4-6, 6-1) en démontrant toutes ses qualités au jeu, tant mentales que physiques, s'appuyant notamment sur un bon service.