Der bestehende olympische Rekord wurde bei diesen Spielen nicht erreicht. Die schnellste Zeit erzielte die niederländische Olympiasiegerin Sifan Hassan mit 14:36,79 min im Finale am 2. August. Den Olympiarekord verfehlte sie damit um 10,62 Sekunden. Zum Weltrekord fehlten ihr 25,64 Sekunden.
Die Vorrunde wurde in zwei Läufen durchgeführt. Für das Finale qualifizierten sich pro Lauf die ersten fünf Athletinnen (hellblau unterlegt). Darüber hinaus kamen die fünf Zeitschnellsten, die sogenannten Lucky Loser (hellgrün unterlegt), weiter.
Lauf 1
Kaede Hagitani – ausgeschieden als Zwölfte des ersten Vorlaufs
Jessica Judd – ausgeschieden als Dreizehnte des ersten Vorlaufs
Die niederländische Topfavoritin Sifan Hassan hatte sich ein Mammutprogramm für diese Spiele vorgenommen. Die Weltmeisterin über 1500 und 10.000 Meter startete auf der Mittelstrecke (1500 Meter – Vorlauf: 2. August / Halbfinale: 4. August / Finale: 6. August), über 5000 Meter (Vorlauf: 30. Juli / Finale: 2. August) und 10.000 Meter (7. August). Am Tag des heutigen Finals über 5000 Meter hatte sie sich am Morgen über 1500 Meter für das Halbfinale qualifiziert. Außerdem war sie drei Tage zuvor in ihrem Vorlauf über 5000 Meter am Start gewesen. Die Konkurrenz, vor allem der afrikanischen Läuferinnen aus Äthiopien und Kenia, war sehr stark einzuschätzen, unter anderem waren die kenianische 5000-Meter-Weltmeisterin Hellen Obiri und die äthiopische Weltjahresbeste Gudaf Tsegay mit dabei.
Das Rennen begann bei schwierigen äußeren Bedingungen mit hohen Temperaturen und großer Luftfeuchtigkeit nicht besonders schnell. Die ersten vier 1000-Meter-Abschnitte wurden in jeweils knapp über oder unter drei Minuten absolviert. So blieb das Feld lange geschlossen zusammen. Vor allem die Äthiopierin Ejgayehu Taye lief von der Spitze weg. Hassan hielt sich im hinteren Drittel des Feldes auf. Nach und nach orientierte sie sich zum Rennende hin weiter nach vorn und war mit dabei, als es auf den letzten tausend Metern schneller wurde.
Zu Beginn der letzten Runde führte Obiri, die 2016 Silber gewonnen hatte, vor Tsegay, der Keniarenin Agnes Jebet Tirop, Taye und Hassan. Auch die Äthiopierin Senbere Teferi und die für die Türkei startende Yasemin Can dahinter hatten noch Kontakt nach ganz vorne. Auf der Gegengeraden stürmte Hassan unwiderstehlich an die Spitze. Ohne sich noch einmal umzublicken, lief sie durch die Zielkurve und auf den letzten einhundert Metern dem Ziel entgegen. Sie gewann ihre erste olympische Goldmedaille. Etwas mehr als eineinhalb Sekunden hinter ihr kam Hellen Obiri wie fünf Jahre zuvor auf den zweiten Platz, Bronze erlief sich mit einem Rückstand einer weiteren halben Sekunde Gudaf Tsegay. Agnes Jebet Tirop wurde Vierte vor Ejgayehu Taye, die lange Zeit geführt hatte.
Ihr erstes Ziel hatte Sifan Hassan erreicht. Auch auf den anderen beiden Strecken sollte sie noch erfolgreich sein. Bronze gewann sie vier Tage später auf der Mittelstrecke und eine zweite Goldmedaille errang sie einen Tag später auf der längsten Bahndistanz.
Hellen Obiri errang wie schon fünf Jahre zuvor die Silbermedaille