2016年，孙杨代表中国出战巴西里约热内卢举行的奥林匹克运动会游泳比赛男子400米自由泳赛事。8月6日，决赛阶段，卫冕冠军孙杨在一直落后的情况下反超未果，最终以3分41秒68的成绩获得亚军。。8月8日，200米自由泳决赛阶段，孙杨在出发落后的情况下前程紧紧盯住领游者，后程发力，并一举逆转，最终以1分44秒65的成绩获得冠军。这也是他两届奥运会荣获的第三枚金牌，第六枚奖牌。8月12日，1500米自由泳预赛中，孙杨因感冒而发挥欠佳，最终无缘决赛。