Ο Έλληνας πρωταθλητής κόσμου και Ευρώπης πρόσθεσε στη συλλογή του και το χρυσό Ολυμπιακό μετάλλιο, συγκεντρώνοντας 16.000 βαθμούς στον τελικό του οργάνου και με μια άσκηση που είχε συντελεστή δυσκολίας 6.80 και βαθμολογήθηκε με 9.200 στην εκτέλεση. Το ασημένιο κατέκτησε ο Βραζιλιάνος Αρτούρ Ζανέτι (κάτοχος του χρυσού μεταλλίου στο Λονδίνο το 2012) με 15.766 (6.70) και το χάλκινο ο Ρώσος Ντένις Αμπλιάζιν με 15.700β. (6.80).
Μιλώντας στην κάμερα της ΕΡΤ, ο Λ. Πετρούνιας παραδέχθηκε πως «πάντα υπάρχει άγχος» όταν παρακολουθεί τις προσπάθειες των ανταγωνιστών του και αφιέρωσε το μετάλλιο στον εκλιπόντα πατέρα του. «Σε κάθε δήλωση πάμε Ελλάδα γιατί έχουμε ψυχή. Να ακούμε Ζορμπά σε όλο το στάδιο. Είναι σημαντικό να ακούγεται ο ύμνος. Το αφιερώνω στον πατέρα μου (σ.σ τον έχασε πέρσι), τον προπονητή μου και την Ελλάδα. Προετοιμάστηκα καλά αλλά θέλει και λίγη τύχη. Δεν είχα τραυματισμούς από το Παγκόσμιο και μετά και όλα πήγαν καλά».
Αυτό ήταν το τρίτο μετάλλιο για την ελληνική αποστολή στη Βραζιλία, μετά το χρυσό και το χάλκινο, που κατέκτησε η Άννα Κορακάκη στην σκοποβολή. Επισημαίνεται ότι ο Λ. Πετρούνιας είναι ταυτόχρονα πρωταθλητής κόσμου και Ευρώπης, κάτι που από ελληνικής πλευράς έχουν καταφέρει στο παρελθόν, μόνον, ο Δημοσθένης Ταμπάκος, ο Κώστας Κεντέρης, ο Πύρρος Δήμας και ο Ηλίας Ηλιάδης.