Voltooi de volgende zin: In zijn tweede wedstrijd op 9 augustus, de 200 meter vlinder, werd hij de eerste zwemmer in de geschiedenis die vijf keer in de finale kwam in hetzelfde evenement, nadat hij in 2000 de 5e plaats had behaald, in 2004 en 2008 de 1e en in 2012 de 2e. (Federica Pellegrini zou de tweede zwemmer zijn die dit doet op de Olympische Spelen van 2020.) In Rio won hij de titel die hij vier jaar eerder in Londen had verloren aan Chad le Clos, met een voorsprong van 0,04 seconden op Masato Sakai. Phelps verklaarde dat het terugwinnen van deze titel het belangrijkste doel was tijdens zijn comeback. De voor- en finale van dat evenement werd zwaar gehyped als een revanche tussen Phelps en Le Clos. De relatie tussen Le Clos en Phelps was in 2012-13 hartelijk geweest, maar verslechterde in 2014 toen Phelps terugkwam uit pensioen en suggereerde dat de huidige vlindertijden traag waren. In de voorbereidingsruimte voorafgaand aan de voorrace zorgde Le Clos' schaduwboksen terwijl Phelps "in een hoek schitterde" voor het internetmeme met de hashtag #PhelpsFace. De Wikipedia-biografie van Le Clos werd zelfs na de finale van het evenement vernield. Op 31-jarige leeftijd maakte de overwinning Phelps niet alleen de oudste mannelijke kampioen, maar ook de oudste individuele kampioen in de Olympische zwemgeschiedenis, waarbij hij de records van Duke Kahanamoku in 1920 en Inge de Bruijn in
2004 respectievelijk. Phelps werd ook de eerste zwemmer die met twaalf jaar tussen elkaar individuele gouden medailles won. Beide records werden drie dagen later gebroken door Anthony Ervin.