En su segundo evento el 9 de agosto, los 200 metros mariposa, se convirtió en el primer nadador en la historia en llegar a cinco finales en el mismo evento, después de terminar quinto en 2000, primero en 2004 y 2008, y segundo en 2012. (Federica Pellegrini sería la segunda nadadora en hacerlo en los Juegos Olímpicos de 2020). En Río, ganó el título que había perdido ante Chad le Clos cuatro años antes en Londres, superando a Masato Sakai por 0.04 s. Phelps declaró que recuperar este título había sido el objetivo principal durante su regreso. La preliminar y la final de ese evento fueron fuertemente promocionadas como una revancha entre Phelps y Le Clos. La relación entre Le Clos y Phelps había sido cordial en 2012<unk>13, pero se deterioró en 2014 cuando Phelps regresó de su retiro y sugirió que los tiempos actuales de las mariposas eran lentos. En la sala de preparación antes de la carrera preliminar, el boxeo en la sombra de Le Clos mientras Phelps "brillaba en una esquina" generó el meme de Internet con el hashtag #PhelpsFace. La biografía de Le Clos en Wikipedia fue incluso vandalizada después de la final del evento. A los 31 años, la victoria hizo de Phelps no solo el campeón masculino más viejo, sino también el campeón individual más viejo en la historia de la natación olímpica, batiendo los récords establecidos por Duke Kahanamoku en 1920 e Inge de Bruijn en 2004.
y el resto, respectivamente. Phelps también se convirtió en el primer nadador en ganar medallas de oro individuales con 12 años de diferencia. Ambos récords fueron batidos por Anthony Ervin tres días después.