En agosto de 2012 Belmonte ganó dos medallas de plata en los Juegos Olímpicos de Londres. La primera medalla que ganó fue una medalla de plata en los 200 metros mariposa
- ¿ Qué? No solo fue su primera medalla olímpica, fue la primera medalla ganada por una mujer nacida en España en natación en un Juegos Olímpicos, y fue la primera medalla para España en cualquier deporte en los Juegos Olímpicos de Verano de 2012. Su segunda medalla también fue una medalla de plata, esta vez en los 800 metros estilo libre detrás de Katie Ledecky, de 15 años, y por delante de la poseedora del récord mundial Rebecca Adlington. Se convirtió en la primera nadadora española en ganar dos medallas olímpicas.