На Лондонском марафоне 2016 года пришла к финишу четвёртой (уступила в напряжённой борьбе за третье место кенийке Флоренс Киплагат), установив при этом ныне действующий национальный рекорд Белоруссии — 2:23:54. Известная британская бегунья Мара Ямаути усомнилась в этом результате, отметив, что Мазурёнок пробежала вторую половину дистанции на три минуты быстрее первой, при том что первая половина включает больше спусков, а вторая — больше набора высоты. Также ей показалось странным, что вторую половину Ольга преодолела быстрее своего личного рекорда в полумарафоне. Тем не менее, организационный комитет Лондонского марафона не выявил в действиях спортсменки каких-либо нарушений, сообщив, что перед гонкой она добросовестно сдала кровь для допинг-теста. Так или иначе, выполнив с большим запасом олимпийский квалификационный норматив (2:45:00), Ольга Мазурёнок благополучно прошла отбор на летние Олимпийские игры в Рио-де-Жанейро — здесь в программе женского марафона показала время 2:24:48 и расположилась на пятой строке итогового протокола. За это выдающееся достижение по итогам сезона была удостоена почётного звания «Заслуженный мастер спорта Республики Беларусь». Также в концовке сезона попробовала себя на Стамбульском марафоне, но финишировать не смогла.