Ở Olympic Rio 2016, Hoàng Xuân Vinh xếp thứ 4 vòng loại với 581 điểm sau 60 phát bắn. Số điểm đủ để xạ thủ sinh năm 1974 vào chung kết. Anh làm nức lòng hàng triệu NHM khi giành tấm HCV với thông số là 202.5 điểm; trong đó ấn tượng là viên đạn cuối cùng ghi 10,7 điểm.

Thế nhưng, sau giải đấu thành công ngoài mong đợi trên đất Brazil, vị Đại tá quân đội này không còn giữ được sự ổn định; thậm chí phong độ xuống dốc. Ở tất cả các đấu trường anh tham dự sau đó, Hoàng Xuân Vinh đều thất bại.

Một năm sau thành công trên đất Brazil, Hoàng Xuân Vinh góp mặt ở Cúp Thế giới được tổ chức tại New Delhi (Ấn Độ) vào tháng 2/2017. Ở vòng loại, anh đạt số điểm cao nhất là 581. Tuy nhiên, đến phần thi chung kết, Hoàng Xuân Vinh thất bại trước xạ thủ Matsuda Tomoyuki (Nhật Bản). Anh giành 236.6 điểm sau 24 phát bắn trong khi đối thủ giành 240.1 điểm, chấp nhận về nhì.

Đến SEA Games 29 vào cuối năm 2017, Hoàng Xuân Vinh tiếp tục thất bại ở nội dung từng giành HCV Olympic 2016. Anh không quá khó khăn để vượt qua vòng loại. Đến vòng tranh huy chương, Hoàng Xuân Vinh chỉ giành HCB với điểm số 234,1 điểm, kém VĐV giành HCV người Malaysia là Jonathan đến 4,2 điểm (238,3 điểm). Ngoài ra, anh còn thất bại ở nội dung 50m súng ngắn bắn chậm, từng giúp xạ thủ này giành HCB Olympic 2016. 

Ở vòng loại, Hoàng Xuân Vinh đứng thứ 2 với 546 điểm, kém đồng đội Trần Quốc Cường 8 điểm. Tuy nhiên, đến vòng tranh huy chương, xạ thủ quê Quảng Trị bị loại sau viên thứ 12 với điểm số khá thấp là 104,6. Anh đứng thứ 8 chung cuộc.

Đến ASIAD 2018, Hoàng Xuân Vinh không vượt qua vòng loại nội dung 10m súng ngắn hơi nam khi chỉ đứng thứ 9 với 579 điểm. Đến giải Cúp thế giới 2018 được tổ chức tại Changwon (Hàn Quốc), Hoàng Xuân Vinh đạt 580 điểm ở vòng loại, xếp thứ 14 và không giành vé vào chung kết. Cũng ở giải đấu này một năm sau đó, xạ thủ sinh năm 1974 xếp hạng 12 vòng loại với 581 điểm và bị loại.

Đến cuối năm, tham dự SEA Games 30 ở Philippines, Hoàng Xuân Vinh không thể bước lên bục cao nhất. Anh xếp thứ 5 vòng loại với 570 điểm. Ở vòng tranh huy chương, Hoàng Xuân Vinh thất bại trước “đàn em” người Thái Lan là Kulchairatt. Anh giành HCB với 239.6 điểm trong khi đối thủ Thái Lan giành HCV với 240.5 điểm.

Xuyên suốt năm 2020, Hoàng Xuân Vinh không tham dự giải đấu quốc tế nào vì đại dịch COVID-19. Vào tháng 3/2021, đội tuyển bắn súng Việt Nam dự giải Cúp thế giới ở Ấn Độ song Hoàng Xuân Vinh không tham dự.

Anh được Liên đoàn Bắn súng thế giới mời tham dự Olympic 2021. Ở cuộc tranh tài tại Nhật Bản, Hoàng Xuân Vinh đứng thứ 22 với 573 điểm.