في أغسطس 2012، فاز بيلمونتي بميداليتين فضية في دورة الألعاب الأولمبية الصيفية في لندن. أول ميدالية فازت بها كانت ميدالية فضة في سباق 200 متر فراشة
.. لم تكن أول ميدالية أولمبية لها فحسب، بل كانت أول ميدالية تفوز بها إمرأة من أصل إسباني في السباحة في الألعاب الأولمبية، وكانت أول ميدالية لإسبانيا في أي رياضة في دورة الألعاب الأولمبية الصيفية لعام 2012. الميدالية الثانية كانت أيضاً ميدالية فضية، هذه المرة في سباق 800 متر بحرية خلف كاتي ليدكي البالغة من العمر 15 عاماً وأمام حاملة الرقم القياسي العالمي ريبيكا أدلينغتون. أصبحت أول سباحة إسبانية تفوز بميداليات أولمبية.