Olympijský debutant podľahol štvrtému nasadenému Japoncovi Keiovi Nišikorimu hladko 2:6, 2:6. Napriek prehre sa v Brazílii postaral o najväčší singlový úspech slovenského mužského tenisu pod piatimi kruhmi v ére samostatnosti.
Nišikori hneď v úvodnom geme prelomil podanie Martina a po potvrdení brejku sa ujal vedenia 2:0. Slovenský daviscupový reprezentant síce následne vyrovnal na 2:2, no ďalšie štyri gemy sa stali korisťou Nišikoriho. Finalista US Open z roku 2014 zahrával loptičky rýchlo po odskoku, robil minimum nevynútených chýb. V druhom dejstve Nišikori po brejku v šiestom geme odskočil Martinovi na 4:2 a zápas už dotiahol do víťazného konca. Zakončil ho úspešným obhodením.
Martin mal pôvodne štartovať v Riu iba vo štvorhre po boku Igora Zelenaya. Napokon sa však predstavil aj vo dvojhre, kde nahradil Martina Kližana, ktorý sa odhlásil z olympijského turnaja pre obavy z vírusu Zika. Pre Martina je táto sezóna prelomová v kariére. V chorvátskom Umagu postúpil v júli prvýkrát do finále turnaja ATP a po jeho skončení sa premiérovo ocitol v najlepšej svetovej stovke.
