في سباقه الثاني في 9 أغسطس، سباق 200 متر فراشة، أصبح أول سباح في التاريخ يصل لخمسة نهائيات في نفس السباق، بعد أن انتهى في المركز الخامس في عام 2000، الأول في عام 2004 و 2008، والثاني في عام 2012. (فيديريكا بيليجريني ستكون السباحة الثانية التي تفعل ذلك في دورة الألعاب الأولمبية لعام 2020.) في ريو، فاز باللقب الذي خسر من تشاد لو كلوس قبل أربع سنوات في لندن، متجاوز ماساتو ساكاي بـ 0.04 ثانية. قال فيلبس ان الفوز باللقب كان الهدف الرئيسي خلال عودته. المباراة التمهيدية والنهائية من هذا الحدث كانت معروضة بشكل كبير كمباراة استرجاعية بين فيلبس و لو كلوس. كانت العلاقة بين لو كلوس وفيلبس ودية في عام 2012<unk>13 ولكن تدهورت في عام 2014 عندما عاد فيلبس من التقاعد واقترح أن أوقات الفراشة الحالية كانت بطيئة. في غرفة الاستعداد قبل السباق التمهيدي، الملاكمة في الظل للكلوس بينما فيلبس "توهج في زاوية" ولدت ميم الإنترنت مع الهاشتاج #PhelpsFace. حتى سيرة لو كلو في ويكيبيديا تم تخريبها بعد النهائي. في سن 31، الفوز جعل فيلبس ليس فقط أكبر بطل ذكري، ولكن أيضا أكبر بطل فردي في تاريخ السباحة الأولمبية، وذلك بتحطيم الأرقام القياسية التي وضعها الدوق كاهاناموكو في عام 1920، وإنج دي برويين في عام 2004.
على التوالي. فيليبس ايضاً اصبح اول سباح يفوز بميداليات الذهب الفردية بفارق 12 سنة. كلاهما كسر الأرقام القياسية من قبل أنتوني إرفين بعد ثلاثة أيام.