Олимпийские игры в Рио-де-Жанейро стали шестой Олимпиадой Сергея Тетюхина. Кроме него, в шести летних Олимпиадах среди представителей игровых командных видов спорта участвовали только российская волейболистка Евгения Эстес (Артамонова), испанский ватерполист Мануэль Эстиарте и бразильская футболистка Формига. 5 августа 2016 года Тетюхин нёс флаг России на церемонии открытия Игр в Рио-де-Жанейро. Как и на всех предыдущих Олимпиадах с его участием, сборная России дошла до полуфинала, но в этот раз осталась без медалей. 21 августа, после поражения от сборной США в матче за бронзу на Олимпиаде в Рио Тетюхин объявил о завершении карьеры в сборной.