Elle s'envole ensuite pour Rio, afin de participer aux Jeux olympiques, en simple et en double. En simple, elle est contrainte d'abandonner au contre Kirsten Flipkens après un set, à la suite d'un virus intestinal. Elle se remet rapidement et peut continuer son tournoi en double avec sa partenaire, Barbora Strýcová. Elles éliminent les sœurs Williams - qui n'avaient jamais perdu de rencontre aux Jeux olympiques jusqu'alors, dès le premier tour. Elles se hissent jusqu'en demi-finales où elles perdent contre Ekaterina Makarova et Elena Vesnina les futures vainqueurs. Lucie remporte sa toute première médaille olympique, en décrochant le bronze avec Barbora Strýcová face à leurs compatriotes Andrea Hlaváčková et Lucie Hradecká (7-5, 6-1).