Anmerkung: Alle Zeitangaben sind auf die Ortszeit Rio (UTC-3) bezogen.
Vorrunde
Die Vorrunde wurde in zwei Läufen durchgeführt. Für das Finale qualifizierten sich pro Lauf die ersten fünf Athletinnen (hellblau unterlegt). Weiterhin kamen die fünf Zeitschnellsten, die sogenannten Lucky Loser (hellgrün unterlegt), weiter.
Während des Rennens kam es zu einem Zwischenfall, bei dem die Neuseeländerin Nikki Hamblin stolperte und zu Fall kam. Die hinter Hamblin laufende US-Athletin Abbey D’Agostino stürzte ebenfalls. Die Österreicherin Jennifer Wenth kam ins Straucheln, konnte aber das Rennen weiterführen. Hamblin blieb auf der Bahn liegen, woraufhin D’Agostino ihrer Konkurrentin aufhalf. Beide stiegen wieder ins Rennen ein und erreichten unter dem Beifall der Zuschauer die Ziellinie. Allerdings hatte sich D’Agostino bei ihrem Sturz über Hamblin am Knie verletzt. Im weiteren Verlauf des Rennens wurden die Schmerzen offensichtlich so stark, dass sie sich zwischenzeitlich auf die Bahn setzen musste. Hamblin half ihr auf und überzeugte die US-Amerikanerin, das Rennen zu Ende zu bringen. Die Schiedsrichter belohnten den Sportsgeist und das Fair Play, indem sie beide gemeinsam mit Wenth per Wildcard für das Finale zuließen.[2] Hamblin und D’Agostino wurden vom IOC zudem mit dem Fair Play Award des International Fair Play Committee ausgezeichnet.[3]
Für das Finale hatten sich jeweils alle drei Kenianerinnen, Äthiopierinnen und Australierinnen qualifiziert. Komplettiert wurde das Feld durch je eine Starterin aus Großbritannien, Japan, Neuseeland, den Niederlanden, Norwegen, Österreich, der Türkei und den USA.
Die nachträglich per Wildcard für das Finale zugelassene US-Athletin Abbey D’Agostino konnte auf Grund ihrer im Vorlauf erlittenen Knieverletzung nicht starten.
Um den Olympiasieg wurde ein Duell zwischen der kenianischen Silbermedaillengewinnerin von 2012 Vivian Cheruiyot und der äthiopischen Weltmeisterin Almaz Ayana erwartet. Ayana hatte eine Woche zuvor bereits das Rennen über 10.000 Meter in Weltrekordzeit vor Cheruiyot für sich entschieden. Auch die weiteren Medaillenkandidatinnen kamen aus Afrika. In erster Linie waren dies die Kenianerin Mercy Cherono, Vizeweltmeisterin von 2013 und WM-Fünfte von 2015, ihre Landsfrau Hellen Obiri und die äthiopische Vizeweltmeisterin Senbere Teferi.
Gleich nach dem Start ging die Japanerin Miyuki Uehara an die Spitze, gefolgt von Ayana. Schnell hatten die beiden einen Vorsprung herausgelaufen, der jedoch in der nächsten Runde nach und nach aufgeholt wurde. Uehara blieb die nächsten vier Runden in Führung, das Tempo war deutlich zügiger als im Rennen vor vier Jahren, aber in dieser Phase keineswegs rekordreif. So blieb das Feld zunächst zusammen.
Nach zwei Kilometern steigerte Ayana das Tempo und das Feld riss immer mehr auseinander. Ayana setzte sich alleine von ihren Konkurrentinnen ab. In einer Verfolgergruppe fanden sich die Kenianerinnen Hellen Obiri, Cheruiyot und Cherono sowie die Türkin Yasemin Can zusammen. Ayana hatte bald einen Vorsprung von ca. 25 Metern auf ihre Verfolgerinnen herausgelaufen. Hinter der zweiten Gruppe bemühte sich die Äthiopierin Teferi um Anschluss. In den nächsten beiden Runden musste Can abreißen lassen, die drei Kenianerinnen hielten den Abstand auf Ayana konstant. 1000 Meter vor dem Ziel fiel auch Cherono zurück, während Cheruiyot und Obiri das Tempo nun anzogen.
Ayanas Vorsprung wurde immer kleiner, noch vor der letzten Runde konnten die beiden Kenianerinnen die Äthiopierin stellen. Ayana war nun nicht mehr in der Lage, dem von Cheruiyot und Obiri angeschlagenen Tempo zu folgen. Schon in der vorletzten Runde forcierte Vivian Cheruiyot noch einmal und erlief sich einen Vorsprung von zwanzig Metern auf Hellen Obiri, die wiederum fast dreißig Meter vor Almaz Ayana ins Ziel kam. Mercy Cherono wurde mehr als neun Sekunden dahinter Vierte knapp vor Senbere Teferi. Die für die Türkei laufende Europameisterin Yasemin Can auf Rang sechs stammt ursprünglich aus Kenia, so dass als beste nichtafrikanische Läuferinnen die Norwegerin Karoline Bjerkeli Grøvdal (Siebte) und die Niederländerin Susan Kuijken (Achte) ins Ziel kamen.
Nach Ayanas Tempoverschärfung auf den letzten drei Kilometern war das Rennen so schnell geworden, dass Cheruiyot, Obiri und Ayana unter Gabriela Szabos bis dahin bestehendem Olympiarekord aus dem Jahr 2000 blieben. Vivian Cheruiyots neuer olympischer Rekord war um mehr als vierzehn Sekunden besser als die bisherige Zeit.
Olympiasiegerin: Vivian Cheruiyot
Silbermedaille: Hellen Obiri
Bronzemedaille: Almaz Ayana
Die viertplatzierte Mercy Cherono
Platz fünf für Senbere Teferi
Yasemin Can – Rang sechs
Karoline Bjerkeli Grøvdal erreichte Platz sieben
Rang acht für Susan Kuijken
Eloise Wellings belegte den neunten Platz
Madeline Heiner Hills – Rang zehn
Die Olympiaelfte Shelby Houlihan
Genevieve LaCaze – Rang zwölf
Eilish McColgan – Rang dreizehn
Ababel Yeshaneh (hier an zweiter Position) – Rang vierzehn