Em agosto, nos Jogos Olímpicos de Verão de 2016, Bellucci fez uma grande campanha: derrotou o cabeça-de-chave n.11 Pablo Cuevas na 2a rodada, o cabeça-de-chave n.8 David Goffin nas oitavas-de-final, e nas quartas-de-final, fez o seu melhor confronto contra Rafael Nadal, ganhando o 1º set contra a lenda espanhola, mas acabou perdendo o jogo por 2 sets a 1. Nas duplas, junto com André Sá, conseguiu derrotar a forte dupla britânica Murray/Murray, cabeça-de-chave n.2, por duplo 7/6, perdendo na 2a rodada por 2 sets a 1 para a dupla italiana Fognini/Seppi.