Bei den Hallenweltmeisterschaften 2016 in Portland siegte Bromell im 60-Meter-Lauf in persönlicher Bestleistung von 6,47 s vor dem favorisierten Jamaikaner Asafa Powell. Im Juli konnte er sich als Zweiter hinter Justin Gatlin bei den Olympic Trials für die Olympischen Spiele in Rio de Janeiro qualifizieren; in allen drei Runden lief er unter 10 Sekunden, im Finale lief er mit 9,86 s sogar die zweitschnellste Zeit des Jahres. Bei Olympia erreichte er das Finale, dort kam er mit 10,06 s über einen achten Platz nicht hinaus. Die US-amerikanische 4-mal-100-Meter-Staffel wurde disqualifiziert, weil der Startläufer Mike Rodgers den Stab vor Beginn der Wechselzone an Gatlin übergeben hatte.