Schrijf een vervolg voor deze paragraaf - Na de selectie voor de Olympische Zomerspelen van 2012 werd Meilutytė de jongste Litouwse zwemmer die deelnam aan de moderne Olympische Spelen. In haar eerste evenement, de 100 meter borstwedstrijd, werd Meilutytė eerste met een tijd van 1:05.56, en brak ze het nationale Litouwse zwemrecord voor de 100 meter borstwedstrijd. In de halve finale van de 100 meter borstwedstrijd behaalde Meilutytė ook de eerste plaats, door haar eerder vastgestelde Litouwse zwemrecord te breken en ze brak ook het Europese record van de 100 meter borstwedstrijd voor vrouwen met een tijd van 1:05.21. Tijdens de finale van de 100 meter borstwedstrijd won ze de gouden medaille, met een tijd van 1:05.47. Meilutytė deed ook mee aan de 50 meter vrije stijl.
, waar ze niet naar de halve finale kon gaan ondanks het winnen van haar heat en het instellen van een nieuw nationaal record van 25,55 seconden, en de 100 m vrije stijl.