Schrijf een vervolg voor deze paragraaf - In zijn tweede evenement op 9 augustus, de 200 meter vlinder, werd hij de eerste zwemmer in de geschiedenis die vijf finales maakte in hetzelfde evenement, na een 5e plaats te hebben behaald in 2000, 1e in 2004 en 2008 en 2e in 2012. (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 versloeg.
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.