На Олимпийских играх 2016 года в Рио-де-Жанейро 40-летний Самсонов был посеян под 7-м номером в одиночном разряде. В третьем раунде Владимир переиграл шведа Кристиана Карлссона 4-2 (9-11, 11-7, 8-11, 11-5, 11-7, 11-8). В четвёртом круге Самсонов был сильнее британца Пола Дринкхолла с тем же счётом 4-2 (11-9, 11-6, 11-8, 15-17, 7-11, 11-8). Впервые с 2000 года Самсонов дошёл до четвертьфинала Олимпийских игр. На этой стадии Владимир сумел обыграть третьего сеянного Дмитрия Овчарова из Германии со счётом 4-2 (8-11, 11-7, 19-17, 4-11, 11-2, 14-12) и впервые в карьере попал в четвёрку лучших на Олимпийских играх. В полуфинале Владимир встретился с Чжан Цзикэ и проиграл 1-4 (9-11, 11-13, 10-12, 11-6, 9-11). В матче за третье место у Самсонова был шанс наконец завоевать олимпийскую награду, но он уступил японцу Дзюну Мидзутани со счётом 1-4 (4-11, 9-11, 11-6, 12-14, 8-11). Мидзутани стал первым в истории японским игроком в настольный теннис, выигравшим олимпийскую награду в одиночном разряде.