I juni 2016 ble han tatt ut på Canadas OL-lag til Sommer-OL 2016. Han vant 100 meter i det canadiske mesterskapet i juli 2016. På 100 meter i OL løp han på 9,92 i semifinalen, og kom på tredjeplass i finalen, med ny personlig rekord på 9,91 sekunder. Dette var Canadas første medalje i disse olympiske lekene. På 200 meter hadde De Grasse raskest tid av alle i innledningsheatet, med 20,09 sekunder, og han satte ny canadisk rekord i semifinalen med 19,80 sekunder. I finalen løp han på 20,02, og fikk sølv bak Usain Bolt. Dette var Canadas første OL-medalje på 200 meter siden Percy Williams i 1928. De Grasse deltok også på 4 × 100 meter stafett, der Canada løp inn til fjerdeplass med ny canadisk rekord på 37,64 sekunder. Imidlertid ble USA diskvalifisert for å trå utenfor banen, og dermed rykket Canada opp til tredjeplass og bronse.