En la segona aparició olímpica de Coughlin, a Pequín el 2008, es va convertir en la primera atleta americana en guanyar sis medalles en un Jocs Olímpics. Va ser elegida capità conjunta de l'equip de natació femenina dels Estats Units juntament amb la cinc vegades olímpica Dara Torres i la quatre vegades olímpica Amanda Beard. Coughlin va guanyar la medalla d'or en els 100 metres dorsal en aquestes Olimpíades, la primera dona en defensar amb èxit una medalla d'or en aquest esdeveniment. El seu rècord mundial va ser superat en la semifinal per Kirsty Coventry, que prendria la plata. De peu a la plataforma de la medalla, el seu llavi encara sangrava després d'haver-lo mossegat durant la cursa per distreure'l del dolor a les cames. Va guanyar una medalla de plata en el releu d'estile lliure de 4×100 metres, nadant amb Lacey Nymeyer, Kara Lynn Joyce i Dara Torres, i també va guanyar medalles de bronze en els 200 metres individual, releu d'estile lliure de 4×200 metres.
, i els 100 metres d'estil lliure. Va guanyar una medalla de plata en la seva cursa final en la natació de releu de 4×100 metres amb Rebecca Soni, Christine Magnuson i Dara Torres.