2016년 6월 27일 발표된 리우 올림픽 출전 U-23 대표팀 최종 명단에 와일드카드로 이름을 올렸다. 비록 팀은 8강에서 멈췄지만 2골을 넣으며 활약했다. 벨루오리존치 미네이랑에서 열린 8강전인 온두라스 축구 국가대표팀과의 경기에서도 1-0 패배 후 눈물을 다시한번 쏟으며 2년 전의 기억을 되풀이했다. 이번대회 메달과함께 군 면제도 노려볼 수 있던 손흥민 입장에서는 아쉬운 결과였다.