V srpnu 2012 Belmonte vyhrál dvě stříbrné medaile na Letních olympijských hrách v Londýně. První medaili, kterou získala, byla stříbrná v běhu na 200 metrů motýlem.
- Ne, ne. Nejenže to byla její první olympijská medaile, byla to první medaile, kterou získala španělská žena v plavání na olympijských hrách, a byla to první medaile pro Španělsko v jakémkoli sportu na letních olympijských hrách 2012. Její druhá medaile byla také stříbrná medaile, tentokrát ve volném stylu na 800 metrů za patnáctiletou Katie Ledecky a před držitelkou světového rekordu Rebeccou Adlington. Stala se prvním španělským plavcem, který vyhrál dvě olympijské medaile.