2016 gelang Stosur bei den French Open noch einmal noch einmal die Qualifikation für das Halbfinale eines Grand-Slam-Turniers, als sie sich bei widrigen äußeren Verhältnissen unter anderem gegen Simona Halep glatt durchsetzte, die das Aufeinandertreffen der beiden im Halbfinale von Madrid noch klar für sich entscheiden konnte. Trotz dieses Erfolgs, kam sie sowohl in Wimbledon als auch bei den US Open nicht über das Erreichen der zweiten Runde hinaus. Bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro musste sie sich im Achtelfinale Angelique Kerber geschlagen geben. Im Mixed-Doppel trat sie mit John Peers an, die beiden scheiterten aber schon im ersten Match am indischen Doppel Sania Mirza und Rohan Bopanna.