Le 15 août 2016, Renaud Lavillenie participe aux Jeux olympiques de Rio de Janeiro, au Brésil, où il tente de conserver son titre. Il franchit au premier essai , puis , avant d'établir un nouveau record olympique en effaçant une barre à , à sa première tentative également. Son seul concurrent en lice, le Brésilien Thiago Braz da Silva, fait alors l'impasse à et franchit à son deuxième essai , soit de plus que son ancien record personnel. Lavillenie qui échoue par deux fois à puis à , se classe finalement deuxième du concours, derrière Thiago Braz da Silva et devant l'Américain Sam Kendricks (). Cette désillusion s'est accompagnée d'une controverse quant à l'attitude des fans brésiliens en tribune lors de son dernier saut. Lavillenie se plaint après le concours des huées qui ont accompagné sa dernière tentative, faisant une comparaison hasardeuse avec les sifflets reçus par le sprinteur afro-américain Jesse Owens pendant les Jeux olympiques de 1936, organisés en Allemagne nazie. Malgré les excuses du sauteur, la polémique enfle au Brésil, et Renaud Lavillenie reçoit finalement sa médaille d'argent le lendemain, en larmes sur le podium et sous les sifflets du public du stade olympique.