Dengan Klim baru-baru ini kembali dari pemecatan cedera dua tahun, dan Callus sakit, Thorpe hanya bisa menancapkan Australia ke posisi keenam dalam estafet gaya bebas 4 × 100 m. 200 m dimulai dengan van den Hoogenband kembali menyerang segera, mencapai 100 m lebih dari satu detik di bawah rekor dunia, dengan Thorpe setengah panjang tubuh di belakang. Thorpe secara bertahap mengurangi keunggulan sebelum melewati van den Hoogenband di 50 m terakhir untuk memenangkan "The Race of the Century" dengan setengah panjang tubuh, dalam rekor Olimpiade baru 1 menit 44,71 detik. Setelah mencapai apa yang telah menghindarinya empat tahun sebelumnya, Thorpe bereaksi emosional, segera merobek topi, memukul udara dan berteriak. Keesokan harinya, enam tahun kemenangan Australia dalam balapan 4 × 200 m gaya bebas berakhir ketika Hackett, Klim dan Sprenger menempatkan Thorpe di leg terakhir 1,48 detik di belakang Keller. Thorpe secara bertahap mengurangi margin tetapi tidak dapat melewati Keller di putaran terakhir, Amerika Serikat menyentuh 0,13 s lebih awal. Thorpe menemukan dirinya di sisi lain dari hasil yang dekat ketika ia memenuhi syarat terakhir untuk 100 m gaya bebas
dengan 0,01 s. Dia memanfaatkan di final dengan datang dari keenam di 50 m tanda untuk memenangkan medali perunggu dalam catatan pribadi 48,56 s, menjadikannya satu-satunya orang untuk medali dalam 100 <unk> 200 <unk> 400 kombinasi dalam sejarah Olimpiade. Setelah Olimpiade Athena, Thorpe mengambil istirahat dari renang kompetitif, melewatkan Kejuaraan Dunia Aqua 2005.