2015 gelang ihm bei den Panamerikanischen Spielen in Toronto ein Doppelsieg über 100 und 200 Meter. Die kanadische 4-mal-100-Meter-Staffel, deren zweiter Läufer er war, kam zwar als Erster ins Ziel, wurde jedoch wegen einer Bahnüberschreitung des ersten Läufers Gavin Smellie disqualifiziert. Bei den Weltmeisterschaften 2015 in Peking gewann er gemeinsam mit dem US-Amerikaner Trayvon Bromell hinter Usain Bolt (Jamaika) und Justin Gatlin (USA) die Bronzemedaille über 100 Meter. Dabei steigerte er seine persönliche Bestleistung auf 9,92 s. Mit der 4-mal-100-Meter-Staffel Kanadas holte er ebenfalls die Bronzemedaille.
Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro holte er über die 100 Meter die Bronzemedaille und über die 200 Meter die Silbermedaille.[2] Außerdem führte er die kanadische 4-mal-100-Meter-Staffel als Schlussläufer zur Bronzemedaille. Die Kanadier hatten zunächst in Landesrekordzeit von 37,64 s nur den vierten Platz erreicht, rückten aber um einen Rang vor, nachdem die US-amerikanische Staffel wegen eines Wechselfehlers disqualifiziert worden war.[3]
Im 100-Meter-Finale bei den Olympischen Spielen in Tokio steigerte De Grasse als Dritter seine persönliche Bestzeit auf 9,89 s.[4] Auch über 200 Meter erreichte er das Finale, wo er in einer Zeit von 19,62 s seine erste olympische Goldmedaille gewinnen konnte. Mit der 4-mal-100-Meter-Staffel gewann er die Silbermedaille.
Bei den Olympischen Spielen 2024 in Paris gewann er mit der 4-mal-100-Meter-Staffel die Goldmedaille.