Elle revient pour les Jeux olympiques à la fois en simple et en double avec sa sœur Venus. En double, elles perdent à la surprise générale alors têtes de série dès le premier tour (3-6, 4-6) contre la paire Tchèque Lucie Šafářová / Barbora Strýcová alors qu'elles étaient triple championnes olympiques et invaincues aux JO ensemble. En simple, elle bat facilement Daria Gavrilova en deux manches puis éprouve plus de difficultés notamment au premier set contre Alizé Cornet la battant (7-6, 6-2) en presque deux heures. Enfin, elle affronte la mondiale Elina Svitolina au troisième tour, et perd en deux manches (4-6, 3-6) en commettant beaucoup trop de fautes directes (37 au total) et faisant cinq double fautes dans le même jeu à 3-4 dans la seconde manche. Alors double tenante du titre au tournoi de Cincinnati, Serena déclare forfait à cause d'une inflammation à l'épaule droite contractée avant les jeux olympiques.