2012 m. vasaros olimpinėse žaidynėse Meilutytė tapo jauniausiu lietuvių plaukikliu, dalyvavusiu šiuolaikinėse olimpinėse žaidynėse. Per savo pirmąjį varžybas, 100 metrų krūtininkės varžybas, Meilutytė užėmė pirmąją vietą ir sulaužė nacionalinį Lietuvos plaukimo rekordą 100 metrų krūtininkės varžybose. 100 metrų krūtininkės pusfinale Meilutytė taip pat užėmė pirmąją vietą, pažeisdama savo anksčiau nustatytą Lietuvos plaukimo rekordą ir taip pat pažeisdama moterų 100 metrų krūtininkės Europos rekordą, su laiku 1:05.21. Per 100 metrų krūtininkystės finalą ji laimėjo aukso medalį, pasiekus 1:05.47 laiką. Meilutytė taip pat varžėsi 50 metrų laisvosios stiliaus lenktynėse
, kur ji nesugebėjo patekti į pusfinalį, nepaisant to, kad laimėjo savo varžovę ir nustatė naują nacionalinį rekordą 25,55 sekundės, ir 100 metrų laisvu stiliumi.