In het olympisch jaar 2016 was het wedstrijdprogramma afgestemd op het leveren van een topprestatie op de Olympische Spelen in Rio de Janeiro. Muir verkoos ter voorbereiding hierop het IAAF Diamond League-circuit. In juni liep zij tijdens de Bislett Games in Oslo een Engelse mijl in 4.19,12, vlak achter de Keniaanse Faith Chepngetich Kipyegon, die in 4.18,60 won. Anderhalve maand later, op 22 juli, kwam zij tijdens de London Grand Prix in het Olympisch Stadion in Londen op de 1500 m tot 3.57,49 en verbeterde hiermee het Britse record van Kelly Holmes. De EK in Amsterdam, die eerder die maand hadden plaatsgevonden, had ze bewust aan zich voorbij laten gaan.Dit alles leidde in het Braziliaanse Rio de Janeiro echter niet tot het gehoopte resultaat. In de finale van de 1500 m kon zij de eerste 1100 m goed meekomen en ging zij zelfs achter de leidende Faith Chepngetich Kipyegon en de Ethiopische Genzebe Dibaba als derde de laatste ronde in. In het sprintgeweld tijdens de laatste 400 meter werd de Schotse atlete echter door diverse concurrentes overvleugeld en eindigde zij in 4.12,88 op een teleurstellende zevende plaats. Nauwelijks terug in Europa haalde zij op 27 augustus 2016 tijdens de Meeting de Paris haar gram door haar eigen persoonlijke en nationale record op de 1500 m terug te brengen naar 3.55,22. Deze tijd maakte haar tevens tot de snelste vrouw ter wereld op de 1500 m van dat jaar. Dit, gevoegd bij een tweede plaats op de 1500 m in 3.57,85 tijdens de Weltklasse in Zürich, bracht haar Diamond League puntentotaal op 40, waarmee Laura Muir de derde Britse vrouw werd die een Diamond League-titel won.