Im darauffolgenden Jahr schloss sie sich erneut mit Hradecká zusammen und erreichte bei den French Open noch einmal das Halbfinale, in dem sie Bethanie Mattek-Sands und Lucie Šafářová unterlagen. Auch in Miami sowie Wuhan standen die Beiden im Halbfinale. Damit qualifizierten sie sich am Ende der Saison zum zweiten Mal für die WTA Championships 2015 in Singapur, wo sie im Halbfinale gegen Carla Suárez Navarro und Garbiñe Muguruza scheiterten. Daneben kam sie mit Łukasz Kubot beim Mixed-Wettbewerb der US Open ins Halbfinale und gewann in ihrer Heimatstadt Pilsen ein ITF-Turnier der $25.000-Kategorie. Bei den French Open konnte sie sich zum letzten Mal für die Einzelkonkurrenz eines Grand-Slam-Turniers qualifizieren, schied jedoch in der ersten Runde gegen Serena Williams aus. Zum Auftakt der Saison 2016 rückten Hlaváčková und Hradecká bei den Australian Open unter anderem nach einem Sieg im Viertelfinale gegen die an Position zwei gesetzten Chan Hao-ching und Chan Yung-jan erstmals ins Endspiel vor, das sie jedoch gegen Martina Hingis und Sania Mirza verloren. Bei den French Open erreichten sie das Viertelfinale, wie auch in Indian Wells, Miami und Madrid. Des Weiteren kamen die Beiden ins Halbfinale von Rom und triumphierten in Québec und beim Kremlin Cup in Moskau. Mit Margarita Gasparjan zusammen holte sie darüber hinaus noch den Titel in Prag und siegte im Anschluss auf Rasen mit Peng Shuai in Nottingham. In Paris stand sie außerdem mit Édouard Roger-Vasselin gemeinsam im Halbfinale. Am Ende des Jahres qualifizierten sich Hlaváčková und Hradecká zum dritten Mal für die WTA Championships 2016 in Singapur. Dort schieden sie zum Auftakt gegen Jekaterina Makarowa und Jelena Wesnina aus. Bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro verpassten die Beiden im Spiel um Platz Drei die Bronzemedaille gegen ihre Landsfrauen Lucie Šafářová und Barbora Strýcová. Ende des Jahres trennten sich Hlaváčková und Hradecká erneut.