Mellouli gañou 2 medallas (1 de ouro na maratón de 10 km e 1 de bronce nos 1500 m estilo libre)
) nos Xogos Olímpicos de Verán de 2012 celebrados en Londres, Reino Unido. Converteuse na primeira persoa en gañar medallas tanto na piscina como na natación en auga aberta nos mesmos Xogos Olímpicos.