في أغسطس 2012 فاز بيلمونتي بميداليات فضية في دورة الألعاب الأولمبية الصيفية لعام 2012 في لندن. أول ميدالية فازت بها كانت ميدالية فضية في سباق 200 متر فراشة
. لم تكن أول ميدالية أولمبية لها فحسب ، بل كانت أول ميدالية فازت بها امرأة من أصل إسباني في السباحة في الألعاب الأولمبية ، وكانت أول ميدالية لإسبانيا في أي رياضة في دورة الألعاب الأولمبية الصيفية لعام 2012. كانت ميداليتها الثانية أيضًا ميدالية فضية ، وهذه المرة في سباق 800 متر حرة خلف كاتي ليدكي البالغة من العمر 15 عامًا وأمام حاملة الرقم القياسي العالمي ريبيكا أدلينغتون. أصبحت أول سباحة إسبانية تفوز بميداليات أولمبية مرتين.