Po získání výběru soutěžit na Letních olympijských hrách 2012 se Meilutytė stala nejmladším litevským plavcem soutěžit na moderních olympijských hrách. Ve svém prvním závodě, na 100 metrů prsou, se Meilutytė umístila na prvním místě s časem 1:05.56 a zlomila národní litevský plavecký rekord na 100 metrů prsou. V semifinále na 100 metrů prsou se Meilutytė umístila na prvním místě, když překonala svůj dříve dosažený litevský plavecký rekord a také překonala evropský rekord na 100 metrů prsou u žen s časem 1:05.21. Během finále 100 metrů prsou vyhrála zlatou medaili s časem 1:05.47. Meilutytė také soutěžila v 50m volným stylem
, kde se jí nepodařilo postoupit do semifinále, ačkoli vyhrála svůj heat a stanovila nový národní rekord 25,55 sekundy a 100m volným stylem.