Im Jahr darauf konnte sie erstmals auf allen Kontinenten und Spielbelägen Erfolge verbuchen. So erzielte sie zu Saisonbeginn 2016 in Kaohsiung ihr zweites WTA-Finale, das sie dieses Mal glatt gegen Venus Williams verlor, und gewann in San Antonio nach einem Erfolg über Anna-Lena Friedsam im Finale ihren ersten Einzeltitel auf der WTA Challenger Series. Beim Premier-Turnier in Rom überraschte sie erstmals auch auf Sandplatz und zog nach einem Sieg über Johanna Konta ins Viertelfinale ein, wo sie sich Irina-Camelia Begu in zwei Sätzen geschlagen geben musste. In Wimbledon erreichte Doi danach unter anderem nach einem Triumph über Karolína Plíšková ihr erstes Grand-Slam-Achtelfinale, in dem sie gegen Angelique Kerber chancenlos unterlag. Auch bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro ging sie an den Start und kam dort im Einzel in die zweite Runde, in der sie gegen Samantha Stosur ausschied. Im Doppel trat sie zusammen mit Eri Hozumi an und setzten sich in der Auftaktrunde überraschend gegen die an Position zwei gesetzten Französinnen Kristina Mladenovic und Caroline Garcia durch, bevor sie in ihrem zweiten Match an Darja Kassatkina und Swetlana Kusnezowa aus Russland scheiterten. Im Herbst erreichte sie trotz einer Auftaktniederlage bei den US Open mit Platz 30 ihre bisher beste Karriereposition und beendete die Saison erstmals in ihrer Laufbahn unter den Top 40 der Welt.