Bei den Olympischen Sommerspielen 2016 in Rio de Janeiro gewann Weitzeil durch ihre Teilnahme am Vorlauf eine Goldmedaille mit der 4-x-100-m-Lagen-Staffel. Über 4-x-100-m-Freistil gewann sie eine Silbermedaille, wobei sie zusammen mit Simone Manuel, Dana Vollmer in Katie Ledecky am Finale teilnahm. Weitzeil nahm ebenfalls am Einzelfinale über 100 m Freistil teil. Dort erreichte sie den siebten Platz, während ihre Landsfrau Simone Manuel eine Goldmedaille gewann.