Nella rassegna a cinque cerchi, dopo essersi messo a disposizione dei più quotati compagni nell'esigente prova in linea, Cancellara vince l'oro nella cronometro, rifilando 47" all'olandese Tom Dumoulin e 1'02" al britannico Chris Froome e bissando in tal modo il successo del 2008. L'affermazione olimpica coincide con l'ultima corsa della carriera per l'elvetico, che chiude così l'attività agonistica, esibendosi un'ultima volta il 12 novembre all'evento "Ciao Fabian", a lui dedicato, nel velodromo di Gand.