Après un deuxième tour à Montréal, Petkovic participe aux Jeux olympiques à Rio de Janeiro. Battue en simple au premier tour par Elina Svitolina, elle l'est également en double. Associée à Angelique Kerber, le duo allemand s'incline contre la paire italienne Sara Errani-Roberta Vinci (6-2, 6-2). Après un deuxième tour à Cincinnati puis à l'US Open, Petkovic se blesse lors de son premier tour à Tokyo et doit abandonner face à Anastasia Pavlyuchenkova. De retour à Luxembourg pour son dernier tournoi de la saison, elle y atteint les quarts de finale. Elle finit l'année au rang mondial. À l'issue de cette saison, elle décide de changer d'entraîneur, Simon Goffin est remplacé par Sascha Nensel, directeur de l'académie « Tennis University » appartenant à ses compatriotes Rainer Schüttler et Alexander Waske et où Petkovic s'est déjà entraînée par le passé. Nensel garde cependant ses fonctions à l'académie et entraîne également en parallèle Tobias Kamke.