Po zdobyciu 6 złotych medali na Mistrzostwach Europy 1999
, Van den Hoogenband był jednym z faworytów na Letnich Igrzyskach Olimpijskich w 2000 roku, ale jego przeciwnicy byli potężni. W biegu swobodnym na 200 metrów stanął przeciwko australijskiej młodzieżowce Ianowi Thorpe'owi, posiadaczowi rekordu świata, ulubionemu przez lokalną publiczność w Sydney. W półfinale Van den Hoogenband ustanowił nowy rekord świata, ale Thorpe odpowiedział tylko o 0,02 s wolniej. W ekscytującym finale, Van den Hoogenband wyrównał swój czas z półfinału i zdobył złoty medal. W biegu na 100 m w stylu swobodnym Van den Hoogenband ponownie ustanowił rekord świata w półfinale i zdobył swój drugi złoty medal, pokonując mistrza 1992 i 1996 roku, Aleksandra Popova. Jego rekord świata na 100 metrów utrzymywał się do 21 marca 2008 r. i został pobity przez Alaina Bernarda z Francji (47,60). Van den Hoogenband zdobył dwa kolejne medale, obie brązowe, w biegu swobodnym na 50 m i w sztafecie 4 × 200 m, w którym był ostatnim pływakiem.