2012 m. rugpjūčio mėn. Belmonte laimėjo du sidabro medalius 2012 m. Londono vasaros olimpinėse žaidynėse. Pirmasis medalis, kurį ji laimėjo, buvo sidabro medalis
200 metrų drugelis. Tai buvo ne tik jos pirmasis olimpinis medalys, bet ir pirmasis medalys, kurį laimėjo Ispanijoje gimusi moteris plaukioje olimpinėse žaidynėse, ir pirmasis medalys Ispanijai bet kokioje sporto šakoje 2012 m. Vasaros olimpinėse žaidynėse. Jos antrasis medalis taip pat buvo sidabro medalis, šį kartą 800 metrų laisvu stiliumi už 15-metės Katie Ledecky ir prieš pasaulio rekordininkę Rebecca Adlington. Ji tapo pirmąja Ispanijos plaukiojančia, laimėjusia du olimpinius medalius.