Con Klim recentemente de regreso tras unha lesión de dous anos, e Callus enfermo, Thorpe só podería ancorar Australia no sexto posto no relevo de estilo libre de 4 × 100 m. Os 200 m comezaron con van den Hoogenband atacando de novo inmediatamente, alcanzando a marca dos 100 m máis dun segundo por debaixo da división do récord mundial, con Thorpe a media lonxitude do corpo detrás. Thorpe reduciu gradualmente a vantaxe antes de pasar a van den Hoogenband nos últimos 50 m para gañar "A carreira do século" por medio corpo, nun novo récord olímpico de 1 min 44,71 s. Tendo conseguido o que lle escapara catro anos antes, Thorpe reaccionou emocionalmente, inmediatamente arrancando a súa gorra, golpeando o aire e gritando. O día seguinte viuse seis anos de vitoria australiana no relevo de estilo libre de 4 × 200 m terminado cando Hackett, Klim e Sprenger puxeron a Thorpe na etapa final 1,48 segundos por detrás de Keller. Thorpe reduciu gradualmente a marxe, pero non foi capaz de pasar a Keller na última volta, os Estados Unidos tocando 0.13 s antes. Thorpe atopouse no outro lado dun resultado estreito cando se cualificou por último para os 100 m estilo libre
por 0,01 s. Capitalizou na final chegando do sexto lugar na marca dos 50 m para gañar a medalla de bronce cunha mellor marca persoal de 48.56 s, converténdose na única persoa en gañar unha medalla na combinación de 100 <unk> 200 <unk> 400 na historia olímpica. Despois dos Xogos Olímpicos de Atenas, Thorpe tomou un descanso da natación competitiva, saltándose os Campionatos Mundiais de Acuática de 2005.