Sania Mirza podczas Igrzysk Olimpijskich w Rio wystąpiła w grze podwójnej ze sklasyfikowaną na 192. miejscu rankingu deblowego Prarthaną Thombare. Mimo podjęcia walki nie sprostały Chińskiej parze: Peng Shuai – Zhang Shuai ulegając 6:7(6), 7:5, 5:7, odpadając z turnieju w pierwszej rundzie. W turnieju gry mieszanej wystąpiła w parez z Rohanem Bopannem. W pierwszej rundzie Hinduska para wygrała z reprezentantami Australii Samanthą Stosur i Johnem Peersem 7:5, 6:4. W ćwierćfinale wyeliminowali Brytyjską parę Heather Watson – Andy Murray 6:4, 6:4, by w walce o finał przegrać z reprezentantami Stanów Zjednoczonych Venus Williams – Rajeev Ram 6:2, 2:6, 3–10. W meczu o brązowy medal ulegli Czeskiej parze Lucie Hradecká – Radek Štěpánek 1:6, 5:7 zajmując ostatecznie czwarte miejsce.