Mellouli laimėjo 2 medalius (1 auksą 10 km maratonui ir 1 bronzą 1500 m laisvu stiliumi)
) 2012 m. vasaros olimpinėse žaidynėse Londone, Jungtinėje Karalystėje. Jis tapo pirmuoju žmogumi, laimėjusiu medalius tiek baseine, tiek atvirame vandenyje tame pačiame olimpinėje žaidynėje.