Diver Daley, 18 år, som vann bronsmedalj och simmare Meilutyte, 15 år, som vann ett guld för Litauen, var bland ett antal lokala idrottsmän som deltog.
Båda är elever på Plymouth College, där paraden avgick från innan den begav sig till stadens Guildhall.
Sex folkskaror hälsade dem djupt och viftade med flaggor när olympierna framträdde.
Daley sa: "Det har varit galet. Mängden människor längs gatorna är fantastiskt.
"Ett stort tack från oss alla för ert stöd."
Han tackade också Plymouth College.
"Det har varit otroligt att anpassa tidtabellen så att vi kan träna samtidigt.
"Det är mycket tack vare Plymouth College som jag kom till OS.
"Det har varit ganska galet sedan spelen, men det börjar bli normalt igen med skolan och träningen och mina två irriterande bröder."
Litauisk simmare Meilutyte sa: "Jag har varit här i nästan två och ett halvt år och det har varit otroligt.
"Plymouth är nästan som mitt andra hem och jag är stolt över att vara här."
Av Chris EllisBBC News Online, Sydväst
Tusentals människor kantade gatorna i Plymouth för att gratulera stadens olympier och paralympier.
För större delen av resan från Plymouth College till Guildhall fanns det en ström av människor, många med fackflaggor och banderoller som sa "Bra gjort Tom" och "Jag älskar dig Tom".
Förare av bussar och bilar tutade sina horn och en kvinna i en parkerad bil lutade sig ut ur solluckan och tutade hornet med foten.
När vi närmade oss Royal Parade stod hundratals människor på gatorna och ljudet var öronbedövande.
Galleri: Olympiska spelen 2012 hemkomst
Andra olympiska idrottare deltog dykare Tonia Couch och Sarah Barrow, simmare Antony James, Jamila Lunkuse och Jade Howard, och staket Corinna Lawrence.
Barrow tweetade: " Hur otroligt var inte Plymouths välkomstparad! Tack till alla som kom :)"
Couch sa: "Parden får dig att känna dig väldigt speciell, särskilt i din hemstad."
Rullstol basketspelare Judith Hamer och Paralympic bordtennisspelare David Wetherill, från Torpoint i Cornwall, anslöt sig till dem.
Wetherill sade: " Jag är inte van vid så här mycket uppmärksamhet. Det här var så mycket bättre än London."
Daleys dyktränare Andy Banks och Meilutytes simtränare Jon Rudd deltog också i paraden.
London 2012 Games Makers från Plymouth, volontärerna som hjälpte till på olympiska arenor, gick med i paraden i sina uniformer och gick bakom bussen när den reste nerför Royal Parade.
Stella Goodman, som tittade på paraden med tre generationer av sin familj, sade: "Vi är stolta, stolta över att vara Plymothians och se dem idag."
Biträdande rådsledare Peter Smith sade: " Det är fantastiskt att så många av stadens idrottsmän och kvinnor valdes ut för att delta i spelen och att två av dem har vunnit medaljer.
"De är en sann inspiration - inte bara för ungdomar här i Plymouth utan över hela landet - några av dem kommer en dag att följa i deras fotspår."
Crowds of cheering fans välkomnade London Olympics 2012 medaljvinnare Tom Daley och Ruta Meilutyte som de turnerade Plymouth i en öppen buss.