손연재는 21일(한국시간) 브라질 리우데자네이루의 리우 올림픽 경기장에서 열린 리우데자네이루 올림픽 리듬체조 개인종합 결선에서 후프(18.216점) 볼(18.266점) 곤봉(18.300점) 리본(18.116점) 4종목 합계 72.898점으로 4위를 차지했다. 금메달은 러시아의 마르가리타 마문(76.483점)이 차지했고, 야나 쿠드랍체바(75.608점)가 2위 ,우크라이나의 간나 리자트디노바(73.583점)가 3위에 올랐다.
2012 런던올림픽에서 5위를 차지했던 손연재는 리우올림픽에서 4위에 오르며 자신이 갖고 있던 한국 선수 최고 순위를 한 계단 끌어올렸다. 손연재는 결선을 마친 후 자신의 연기에 "100점을 주고 싶다"는 말을 했다. 그만큼 손연재는 열심히 노력했고, 후회없는 올림픽 무대를 만들었다. 만감이 교차한 손연재는 결선을 모두 마친 후 눈물을 흘렸다. 후회가 아닌 기쁨의 눈물이었다.
손연재는 리듬체조 불모지에 핀 꽃이다. 리듬체조가 올림픽 정식 종목으로 채택된 것은 1984년 LA올림픽부터다. 한국 선수로는 홍성희와 김인화 1988년 서울올림픽에서 리듬체조 종목에 처음으로 출전했다. 이후 윤병희와 김유경이 1992년 바르셀로나올림픽에 나섰고 신수지가 2008 베이징올림픽에 진출했다. 하지만 올림픽 결선 무대에는 오르지 못했다.
마지막 올림픽 무대인 리우데자네이루에서도 손연재는 혼신의 연기를 펼쳤다. 결선 무대에서 펼친 네 종목 모두 실수 없이 갈고 닦은 기량을 선보였다. 그렇게 손연재는 마지막 올림픽을 웃으며 마쳤다.