Летом 2016 года Ши Тинмао приняла участие в летних Олимпийских играх в Рио-де-Жанейро. 7 августа Ши впервые стала олимпийской чемпионкой, победив в синхронных прыжках с 3-метрового трамплина в паре со своей знаменитой соотечественницей У Минься. Спустя несколько дней Ши Тинмао завоевала свою вторую золотую медаль, одержав победу в индивидуальных прыжках с 3-метрового трамплина. По итогам соревнований Ши опередила занявшую второе место соотечественницу Хэ Цзы почти на 20 баллов.