Eftir að hafa fengið að keppa á Ólympíuleikunum 2012 varð Meilutytė yngsti litauíski sundmaðurinn sem keppti á nútíma Ólympíuleikunum. Í sínu fyrsta móti, 100 metra brjóstahlaupinu, varð Meilutytė fyrsta með tíma 1:05.56 og braut þjóðarlaun Litháen um 100 metra brjóstahlaup. Í 100 metra brjóstahlaupi var Meilutytė einnig í fyrsta sæti, með því að brjóta sitt fyrra litvulega sundmet og hún braut einnig 100 metra Evrópumetið í brjóstahlaupi kvenna, með tíma 1:05.21. Í 100 metra brjóstahlaupi vann hún gullverðlaun með tímanum 1:05.47. Meilutytė keppti einnig í 50 metra frjálsum
, þar sem hún náði ekki að komast í undanúrslit þrátt fyrir að vinna hita sína og setja nýtt landsmet í 25,55 sekúndur, og 100m frjáls.