Kai Klimas neseniai grįžo iš dvejų metų traumos atostogų, o Callusas serga, Thorpe'as galėjo tik užfiksuoti Australiją į šeštąją vietą 4 × 100 m laisvosios stiliaus stotelėje. 200 metrų bėgimas prasidėjo, kai van den Hoogenbandas vėl iš karto užpuolė ir pasiekė 100 metrų ribą daugiau nei sekundę po pasaulio rekordų padalijimo, o Thorpe'as buvo pusę kūno ilgio. Thorpe palaipsniui sumažino pirmavimą, kol perėjo van den Hoogenband per paskutinius 50 m ir laimėjo "Šimtmečio lenktynes" už pusę kūno ilgio, naujuoju olimpiniu rekordu 1 min 44,71 s. Pasiekęs tai, ko prieš ketverius metus negalėjo pasiekti, Torpas emociškai reagavo, iš karto nušovė kepurę, smogė į orą ir rėkė. Kitą dieną baigėsi šešerių metų Australijos pergalė 4 × 200 m laisvosios stiliaus štafeto varžybose, kai Hackettas, Klimas ir Sprengeris į galutinį etapą užklupo Thorpe'ą 1,48 sekundės nuo Kellerio. Thorpe palaipsniui sumažino atstumą, bet negalėjo praeiti Kellerio paskutinį ratą, o Jungtinės Valstijos pasiekė 0,13 s anksčiau. Thorpe atsidūrė kitoje pusėje glaudžio rezultato, kai jis kvalifikuojasi paskutinis 100 m laisvosios stiliaus
0,01 sekundės. Finale jis pasiekė šeštą vietą 50 metrų lenktynėse ir laimėjo bronzinį medalį, pasiekęs asmeninį geriausią rezultatą - 48,56 sekundės. Taip jis tapo vieninteliu olimpinės istorijos medaliu 100-200-400 kombinacijoje. Po Atėnų olimpinių žaidynių Thorpe susilaikė nuo lenktynių plaukimo, praleido 2005 m. Pasaulio vandens sporto čempionatą.