Pada Olimpiade Musim Panas 2008 di Beijing, China, Peirsol memenangkan medali emas dalam lomba lari 100 meter dengan punggung dan 4×100 meter relay
Aku tahu. Dia juga memenangkan perak dalam lomba lari 200 meter. Dalam acara pertamanya, 100 meter lari punggung, Peirsol adalah favorit berat untuk emas, dengan dia menjadi pemegang rekor dunia dan juara Olimpiade yang bertahan. Untuk final 100 meter lari punggung, Peirsol berenang di jalur dua, setelah lolos ke posisi kelima di semifinal. Pada 50 meter pertama di final 100 meter backstroke, Peirsol berada di posisi kedua di belakang Liam Tancock, yang mengeluarkannya dalam 25.11. Peirsol berada 0,54 detik di belakang Tancock di tikungan. Namun, setelah belokan, Peirsol menyalip Tancock, yang akhirnya menempati posisi keenam, dan memenangkan emas. Waktu akhir Peirsol 52.54 adalah rekor dunia baru, memperbaiki rekor sebelumnya 52.89 yang ditetapkan bulan lalu. Setelah balapan, Peirsol berkata, "Saya sedikit bersemangat, sedikit lega, benar-benar gembira". Dalam acara keduanya, 200 meter lari punggung, Peirsol menempati posisi kedua setelah Ryan Lochte 1:54.33 hingga 1:53.94. Dalam memenangkan emas, Lochte memecahkan rekor dunia yang dia dan Peirsol bagikan dalam lomba lari 200 meter. Dalam acara terakhirnya, 4×100-meter medley relay, Peirsol dikombinasikan dengan Brendan Hansen, Michael Phelps, dan Jason Lezak untuk memenangkan emas dalam waktu rekor dunia 3:29.34, menurunkan tanda lama 3:30.68 yang ditetapkan empat tahun yang lalu di Athena.