Sein Comeback gab er in der Saison 2016 im Februar in Delray Beach, wo er sogleich das Halbfinale erreichte. Bei seinen nächsten beiden Turnierteilnahmen erreichte er bei den Masters in Indian Wells und Miami jeweils die zweite Runde. In Wimbledon zog er in die dritte Runde ein und schlug dabei in seiner zweiten Partie Stan Wawrinka. Bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro besiegte er überraschend in seiner Auftaktpartie den hoch favorisierten Novak Đoković in zwei Sätzen. Nach drei weiteren Siegen bezwang er im Halbfinale auch Rafael Nadal und traf im Endspiel auf Andy Murray. Murray gelang es, seinen Olympiasieg von 2012 zu wiederholen. Del Potro verlor die Partie mit 5:7, 6:4, 2:6 und 5:7 und gewann damit die Silbermedaille.