W sierpniu 2012 roku Belmonte zdobył dwa srebrne medale na Letnich Igrzyskach Olimpijskich w Londynie. Pierwszy medal, który zdobyła, to srebrny medal w biegu na 200 metrów motylkiem.
- Co? Był to nie tylko jej pierwszy medal olimpijski, był to pierwszy medal zdobyty przez Hiszpankę w pływaniu na Igrzyskach Olimpijskich, i był to pierwszy medal dla Hiszpanii w jakimkolwiek sporcie na Letnich Igrzyskach Olimpijskich 2012. Jej drugi medal był również srebrny, tym razem w 800-metrowym swobodnym stylu za 15-letnią Katie Ledecky i przed rekordzistką świata Rebeccą Adlington. Stała się pierwszą hiszpańską pływaczką, która zdobyła dwa medale olimpijskie.