2008 m. vasaros olimpinėse žaidynėse Adlingtonas atstovavo Didžiąją Britaniją, varžėsi 400 metrų laisvosios stiliaus ir 800 metrų laisvosios stiliaus varžybose. Ji taip pat turėjo plaukioti 4 × 200 metrų laisvosios stiliaus stotelėje.
Bet buvo atsipūsęs karštyje ir komanda nesugebėjo įstoti į finalą. 400 metrų laisvosios stiliaus varžybose ji sulaužė Bendrijos rekordą 4:02.24 laiku. 2008 m. rugpjūčio 11 d. ji laimėjo olimpinio aukso medalį toje pačioje lenktynių kategorijoje, perbėgus 4:03.22 ir peržengusi amerikiečių Katie Hoff per paskutinius 20 metrų. Ji buvo pirmoji moteris, laimėjusi aukso medalį Didžiosios Britanijos plaukioje nuo Anitos Lonsbrough 1960 m. Ji buvo pirmoji britų plaukėja, laimėjusi daugiau nei vieną aukso medalį vienoje olimpinėse žaidynėse nuo to laiko, kai 1908 m. Henris Teileris laimėjo tris.