Ở nội dung 400m trơn dành cho nữ môn Điền kinh tại Olympic Rio 2016, có tổng cộng 57 VĐV tham gia tranh tài được chia làm 8 nhóm thi đấu ở vòng loại, Nguyễn Thị Huyền thi đấu ở nhóm thứ 6. Với kết quả thi đấu 52 giây 97, Huyền chỉ cán vạch đích ở vị trí thứ 6 trong nhóm thi đấu này, và xếp hạng 43 trên tổng số 57 VĐV tham gia tranh tài, qua đó không thể lọt vào tốp 24 VĐV có thành tích tốt nhất để dành quyền đi tiếp. Thành tích của Huyền so với VĐV người Ban Lan đứng ở vị trí thứ 24 là chậm hơn 95% giây.

Vào sáng ngày 16/8 (giờ Việt Nam), Nguyễn Thị Huyền sẽ bước vào thi đấu ở nội dung thứ 2 và cũng là nội dung cuối cùng mà chị tham gia tranh tài tại Olympic Rio 2016- nội dung 400m rào.