Adlington képviselte Nagy-Britanniát a 2008-as nyári olimpiai játékokon, a 400 méter szabad és 800 méter szabad versenyeken. A 4x200 méteres szabad stílusú sztaféban is úszni fog.
De a melegben pihenett, és a csapat nem jutott be a döntőbe. A 400 méteres szabad stíluson 4:02.24-es idővel megdöntötte a Nemzetközösség rekordját. 2008. augusztus 11-én megnyerte az olimpiai aranyérmet ugyanazon a versenyen, 4:03.22-es idővel, megelőzve az Egyesült Államok Katie Hoff-ét az utolsó 20 méterben. Ő volt az első nő, aki aranyat nyert Nagy-Britannia úszásában Anita Lonsbrough óta 1960-ban. Ő volt az első brit úszó, aki egynél több aranyérmet nyert egy olimpiai játékokon, mivel Henry Taylor 1908-ban három aranyérmet nyert.