Savo antrame renginyje rugpjūčio 9 d. 200 metrų drugeliu jis tapo pirmuoju plaukikliu istorijoje, kuris penkis kartus pateko į tą patį renginį, užėmęs penktąją vietą 2000 m., pirmą vietą 2004 m. ir 2008 m. ir antrąją vietą 2012 m. (Federica Pellegrini būtų antrasis plaukėjas, kuris tai padarys 2020 m. Olimpinėse žaidynėse.) Rijuje jis laimėjo titulą, kurį prieš ketverius metus Londone pralaimėjo Čado le Closui, pralenkdamas Masato Sakai 0,04 sekundės. Phelpsas teigė, kad pagrindinis jo grįžimo tikslas buvo laimėti šį titulą. Preliminarus ir finalinį varžybas labai populiarino kaip revanšą tarp Phelps ir Le Clos. Le Clos ir Phelps santykiai buvo draugiški 2012-13 m., tačiau 2014 m. jie pablogėjo, kai Phelpsas grįžo iš pensijos ir teigė, kad dabartiniai drugelių laikai buvo lėti. Prieš pradines varžybas pasiruošimo kambaryje, Le Clos bokso šešėlyje, o Phelpsas "švytėjo kampe", sukėlė internetinį memą su #PhelpsFace (Phelpsų Veidas) žyma. Le Clos Wikipedia biografija net buvo vandalizuota po finalo. 31 metų amžiaus, pergalė padarė Phelps ne tik seniausiu vyro čempionu, bet ir seniausiu individualiu čempionu olimpinio plaukimo istorijoje, nugalėdamas 1920 m. Duke Kahanamoku ir 2004 m. Inge de Bruijn rekordus.
atitinkamai. Phelpsas taip pat tapo pirmuoju plaukikliu, laimėjusiu individualius aukso medalius po 12 metų. Abu šiuos rekordus tris dienas vėliau sumušė Anthony Ervinas.