Bei den aufgrund der COVID-19-Pandemie erst im Jahr 2021 ausgetragenen Olympischen Sommerspielen in Tokio trat Vondroušová im Einzel und Damendoppel (gemeinsam mit Karolína Plíšková) an. Im Einzel durch ein Protected Ranking startberechtigt, erreichte sie nach u. a. Siegen über die gesetzten Spielerinnen Naomi Ōsaka (Nr. 2) und Elina Switolina (Nr. 4) das Finale. Dort hatte sie in drei Sätzen gegenüber Belinda Bencic (Nr. 9) das Nachsehen (5:7, 6:2, 3:6). Im Damendoppel schied sie mit Plíšková im Achtelfinale gegen die brasilianische Paarung Laura Pigossi und Luisa Stefani ebenfalls in drei Sätzen aus.