DiRado voitti Rio de Janeirossa 2016 pidetyissä olympiakisoissa neljä mitalia: kaksi kultaa, yksi hopeaa ja yksi pronssia. Kilpailun ensimmäisenä iltana DiRado tuli toiseksi 400 metrin erikseen.
4:31.15 Katinka Hosszun jälkeen, joka rikkoi maailmanennätyksen. Hän voitti myös pronssimitalin 200-metrin yksittäisjoukkueessa 2:08.79:ssa, Hosszú ja Siobhan-Marie O'Connorin jälkeen, jotka voittivat kultaa ja hopeaa. Vaikka DiRado ei uinut 200 metrin vapaasti Trialsissa, valmentajat sijoittivat hänet 4 × 200 metrin vapaasti risteilyyn. DiRado voitti ensimmäisen kultamitalinsa olympialaisissa yhdessä Allison Schmittin, Leah Smithin ja Katie Ledeckyn kanssa. Viimeisessä 200 metrin selkätaistelussa DiRado kohtasi jälleen Hosszun, joka oli suosituin voittamaan tapahtuman. Hosszú johti koko kisan, kunnes DiRado nousi viimeisten 25 metrin aikana ja kosketti Hosszúa 6 yhden sadan prosentin, 2:05.99 2:06.05, voittoon.