펠프스는 8일 브라질 리우데자네이루의 올림픽 수영센터에서 이어진 리우올림픽 수영 경영 남자 자유형 400m 계영 두 번째 주자로 나서 3분9초92의 기록으로 프랑스(3분10초53)과 호주(3분11초37)를 따돌리고 금메달을 땄다. 대회 전 이미 네 차례 올림픽에서 23개의 메달을 따 최다 금메달 및 메달리스트였던 그는 다섯 번째 올림픽에서 23번째 올림픽 메달을 금빛으로 장식했다. 이제 금 19개, 은 2개, 동메달 2개를 거머쥐었다. 그의 통산 금메달 갯수는 2위인 옛소련의 체조 스타 라리샤 라티니나의 곱절에 이른다.
펠프스는 이번 대회 앞으로 접영 100ｍ와 200ｍ, 혼계영 200ｍ 등 세 종목에 출전한다. 따라서 이번 올림픽에서 누적 금메달 20개 돌파가 확실시된다.