אולימפיאדת בייג'ינג (2008).
במבחנים האמריקאיים לקראת אולימפיאדת בייג'ינג זכה פלפס להיכלל בסגל המשלחת האמריקאית לאולימפיאדה בחמישה משחים אישיים ושלושה משחי שליחים. הוא זכה בזהב בכל שמונת המשחים ושבר את שיאו של מארק ספיץ כשיאן המדליות באולימפיאדה אחת.
הוא פתח את התחרויות היטב כאשר זכה במדליית זהב במשחה הראשון שלו ל-400 מטר מעורב אישי, תוך שבירת שיא העולם שקבע חודש לפני כן במבחנים האמריקאיים.
את הזהב השני קיבל במשחה שליחים 4x100 מטר חופשי ביחד עם גארט וובר-גייל, קאלן ג'ונס וג'ייסון ליזאק בשיא עולם (שנקבע באותו הבוקר במוקדמות) וניצחון דרמטי במטרים האחרונים על נבחרת צרפת, שהובילה בהפרש ניכר לאורך 100 המטרים האחרונים. כשחיין ראשון ברביעייה הוא קבע שיא אמריקאי חדש, 47.51 שניות.
בהמשך התחרות זכה גם במשחים ל-200 מטר חופשי, 200 מטר פרפר, משחה שליחים 4x200 מטר חופשי ביחד עם ראיין לוכטה, ריקי ברנס ופיטר ונדרקיי, ו-200 מטר מעורב אישי, תוך שהוא שובר את שיאי העולם בכל אחד מהמשחים. במשחה ל-100 מטר פרפר הצליח פלפס להתגבר על התחרות הקשה ביותר שהוצבה לו באולימפיאדה, כשגבר הן על שיאן העולם ועמיתו לנבחרת איאן קרוקר, והן על השחיין הסרבי מילוראד צ'אביץ', שהוביל במשך כל המשחה עד לרגע הנגיעה בקיר, שם פלפס הקדים אותו במאית השנייה בלבד. היה זה המשחה היחיד בו לא שבר שיא עולם, אולם כן שבר שיא אולימפי. את מדליית הזהב האחרונה שלו, השמינית במספר, השיג במשחה שליחים 4x100 מטר מעורב, ביחד עם ארון פירסול, ברנדן הנסן וליזאק, תוך שבירת שיא העולם.
בין בייג'ינג ללונדון.
לאחר הישגיו באולימפיאדת בייג'ינג יצא פלפס להפסקה מאימונים בת מספר חודשים – ההפסקה הארוכה ביותר בקריירה שלו. בתחילת 2009, לאחר שחזר למשטר אימונים, פרסם עיתון לונדוני תמונה שלו מנובמבר 2008, כשהוא מעשן מבאנג במהלך מסיבה באוניברסיטת דרום קרוליינה. בעקבות הפרסום, השעה אותו איגוד השחייה האמריקני מפעילות ספורטיבית לשלושה חודשים.
במאי 2009 חזר פלפס להתחרות, והשתתף ב"גראנד פרי שארלוט". הוא ניצח בשני משחים, הראשונים שלו בתחרות – במשחה ל-200 מטר חופשי ובמשחה ל-100 מטר פרפר. בנוסף, סיים במקום השני במשחה ל-100 מטר גב, אחרי ארון פירסול, ובמשחה ל-100 מטר חופשי, אחרי פרד בוסקה. היו אלה שני ההפסדים הראשונים שלו מזה שנה.
במבחנים האמריקאיים לאליפות העולם בשחייה שנערכו באינדיאנפוליס ביולי 2009 החזיר פלפס לעצמו את שיא העולם במשחה ל-100 מטר פרפר, לאחר 6 שנים, בתוצאה של 50.22 שניות (השיא הקודם היה שייך לאיאן קרוקר, ועמד על 50.40 שניות).
באליפות העולם בשחייה 2009 זכה פלפס ב-6 מדליות, מהן 5 זהב: מדליית זהב במשחה שליחים 4X100 מטר חופשי בתוצאה 3:09.21 דקות, לפני נבחרת רוסיה ונבחרת צרפת; מדליית כסף במשחה ל-200 מטר חופשי, לאחר שהפסיד לפאול בידרמן, שקבע שיא עולם חדש: 1:42.00 דקות, בשפרו את שיאו העולמי של פלפס ב-96 מאיות – היה זה הפסדו הראשון של פלפס במשחה זה מאז הגיע שלישי באולימפיאדת אתונה; מדליית זהב במשחה ל-200 מטר פרפר בשיא עולם חדש, 1:51.51 דקות; מדליית זהב במשחה ל-100 מטר פרפר, בשיא עולם של 49.82 שניות – הראשון שירד מגבול 50 השניות במשחה זה; וכן היה אחד מרביעיית השליחים שקבעה שיא עולם במשחה ל-4x100 מטר מעורב.
באליפות העולם בשחייה שנערכה בשאנגחאי שבסין בשנת 2011 זכה פלפס ב-7 מדליות: 4 זהב, 2 כסף וארד אחת: מדליות זהב במשחה ל-100 מטר פרפר בתוצאה של 50.71 שניות, לפני קונראד צ'רניאק מפולין (51.15 שניות) ובן ארצו טיילר מקגיל (51.26 שניות), במשחה ל-200 מטר פרפר בתוצאה של 1:53.34 דקות, לפני טקשי מצודה מיפן (1:54.01 דקות) ופנג הו מסין (1:54.67 דקות), במשחה שליחים 4x200 מטר חופשי בתוצאה של 7:02.67 דקות, לפני צרפת (7:04.81 דקות) וסין (7:05.67 דקות), ובמשחה שליחים 4X100 מטר מעורב בתוצאה של 3:32.06 דקות, לפני אוסטרליה (3:32.26) וגרמניה (3:32.60); מדליות כסף במשחה ל-200 מטר חופשי בתוצאה של 1:44.79 דקות, אחרי ראיין לוכטה (1:44.44 דקות) ולפני בידרמן (1:44.88 דקות) ובמשחה ל-200 מטר מעורב אישי בשיא אישי של 1:54.16 דקות, אחרי ראיין לוכטה שקבע שיא עולם חדש של 1:54.00 דקות ולפני צ'ה (1:57.69 דקות); ומדליית ארד במשחה שליחים 4x100 מטר חופשי בתוצאה של 3:11.96 דקות, אחרי אוסטרליה (3:11.00 דקות) וצרפת (3:11.14 דקות).
אולימפיאדת לונדון (2012).
במבחנים האמריקאיים לאולימפיאדת לונדון עלה פלפס בכל שמונת המשחים שבהם התחרה בבייג'ינג; זאת על אף שהצהיר פעמים רבות כי לא ישחה שוב 400 מטר מעורב אישי, שבו לא התחרה מאז בייג'ינג. לאחר המבחנים הכריז במפתיע כי הוא מוותר דווקא על המשחה ל-200 מטר חופשי. התקשורת האמריקאית התמקדה ביריבות בין פלפס לבין ראיין לוכטה, המתחרים על תואר "השחיין המעוטר ביותר" באולימפיאדת לונדון.
במשחקים עצמם זכה פלפס ב-6 מדליות, מהן 4 זהב ו-2 כסף והיה הספורטאי המעוטר ביותר בתחרות בפעם השלישית ברציפות.
ביום הראשון של האולימפיאדה סיים פלפס במקום הרביעי במשחה 400 מטר מעורב אישי בתוצאה 4:09.28 דקות – תוצאה איטית יותר מזו שקבע במבחנים האמריקאיים (4:07.89), שהייתה מזכה אותו במקום השני אחרי לוכטה. פלפס שחה במסלול 8 הקיצוני, לאחר שבמוקדמות סיים במקום השמיני ועלה אחרון לגמר.
ביום השני זכה במדליית כסף במשחה שליחים 4X100 חופשי יחד עם נתן אדריאן, קאלן ג'ונס וראיין לוכטה. פלפס זינק שני בנבחרת, וקבע תוצאה של 47.15 שניות (בזינוק שליחים); הוא היה האמריקאי המהיר ביותר בנבחרת, ושחיין השליחים השני הכי מהיר בתחרות כולה (אחרי יאניק אנייל עם 46.74 שניות).
ביום הרביעי זכה פלפס במדליית כסף במשחה ל-200 מטר פרפר בתוצאה של 1:53.01 דקות אחרי צ'אד לה קלו מדרום אפריקה (1:52.96 דקות), לאחר שהוביל לאורך כל המשחה עד לנגיעה בקיר שהייתה מאוד לא מוצלחת. לאחר מכן, הוא זכה במדליית זהב במשחה שליחים 4x200 מטר חופשי ביחד עם ראיין לוכטה, קונור דווייר וריקי ברנס בתוצאה של 6:59.70 דקות והשווה את מספר המדליות האולימפיות בהן זכה לזו של לריסה לטינינה (18 מדליות).
ביום השישי זכה פלפס במדליית זהב במשחה ל-200 מטר מעורב אישי בתוצאה של 1:54.27 דקות, לפני שיאן העולם ראיין לוכטה 1:54.90 דקות והיה לשחיין גבר הראשון בכל הזמנים שזכה ב-3 אולימפיאדות במשחה אחד ועבר למקום הראשון מבין כל הספורטאים בכל הזמנים בצבירת מדליות אולימפיות (19).
ביום השביעי זכה פלפס במדליית זהב במשחה ל-100 מטר פרפר בתוצאה של 51.21 שניות, לפני צ'אד לה קלו ויבגני קורוטישקין מרוסיה שקבעו תוצאה זהה של 51.44 שניות ובכך היה לשחיין היחידי במשחקים האולימפיים שזכה בשני משחים שונים ב-3 אולימפיאדות.
ביום השמיני והאחרון של תחרויות השחייה זכה פלפס במדליית זהב במשחה שליחים 4x100 מטר מעורב ביחד עם מאט גרוורס, ברנדן הנסן ונתן אדריאן בתוצאה של 3:29.35 דקות ובכך זכה ב-22 מדליות אולימפיות, מהן 18 מדליות זהב.
ב-5 באוגוסט 2012, בסיום תחרויות השחייה של אולימפיאדת לונדון, הודיע פלפס על פרישתו משחייה התחרותית, אך כעבור שנה הודיע על חזרה לשחייה תחרותית.
בסוף חודש ספטמבר 2014 נעצר על נהיגה בשכרות והושעה מתחרויות לחצי שנה.
אולימפיאדת ריו דה ז'ניירו (2016).
במבחנים האמריקאיים לאולימפיאדת ריו דה ז'ניירו סיים פלפס ראשון ב-3 משחים, במשחה ל-100 מטר פרפר, במשחה ל-200 מטר פרפר ובמשחה ל-200 מטר מעורב אישי ובכך היה לשחיין גבר הראשון שייצג את ארצות הברית בחמש אולימפיאדות רצופות. במשחקים האולימפיים עצמם הוא זכה ב-6 מדליות, 5 זהב ו-1 כסף. מדליות זהב, במשחה שליחים 4x100 מטר חופשי, אף על פי שלא היה אמור להשתתף במשחה זה (כי לא השתתף במבחנים במשחה ל-100 מטר חופשי), בתוצאה של 3:09.92 דקות, לפני צרפת (3:10.53 דקות) ואוסטרליה (3:11.37 דקות), במשחה ל-200 מטר פרפר בתוצאה של 1.53.36 דקות, בפעם השלישית, לפני מסטו סאקאי מיפן (1:53.40 דקות) ותמאש קנדרשי מהונגריה (1:53.62 דקות), במשחה שליחים 4x200 מטר חופשי בתוצאה של 7.00.66 דקות, לפני בריטניה (7:03.13 דקות) ויפן (7:03.50 דקות) במשחה ל-200 מטר מעורב אישי בתוצאה של 1:54:66 דקות, בפעם הרביעית ברציפות, לפני קוסוקה הגינו מיפן (1:56.61) וונג שון מסין (1:57.05 דקות) ובמשחה שליחים 4x100 מטר מעורב בשיא אולימפי חדש של 3:27.95 דקות, לפני בריטניה (3:29.24 דקות) ואוסטרליה (3:29.93 דקות). במשחה זה קבע ראיין מרפי במשחה ל-100 מטר גב שיא עולם חדש של 51.85 שניות. מדליית כסף, במשחה ל-100 מטר פרפר ביחד עם צ'אד לה קלו ולאסלו צ'ה בתוצאה של 51.14 שניות, אחרי ג'וזף סקולינג מסינגפור שקבע שיא אולימפי חדש של 50.39 שניות. בסוף אולימפיאדה זו הודיע פלפס על פרישה, מאזן המדליות שלו אחריה עומד על: 28 מדליות, מהן 23 מדליות זהב, 3 מדליות כסף ו-2 מדליות ארד.
שיאי עולם.
נכון לנובמבר 2021, מחזיק פלפס בשלושה שיאי עולם בבריכה אולימפית, אחד מתוכם במשחה אישי:
פלפס מחזיק בשיא עולם נוסף בבריכת 25 מטר, במשחה שליחים 4X100 מטר חופשי.
בין ה-9 ביולי ל-28 ביולי 2009 החזיק פלפס בשיא של שמונה שיאים עולמיים, חמישה מתוכם במשחים אישיים. בתקופה זו החזיק, בנוסף לשיאים הנוכחיים, גם בשיאי עולם ב-200 מטר חופשי, 200 מטר מעורב ו-200 מטר פרפר.
פלפס החזיק ברצף בשיא העולם ב-200 מטר פרפר מ-30 במרץ 2001 ועד 24 ביולי 2019. כיום הוא מחזיק בתוצאה השנייה בטיבה בהיסטוריה, 1:51.51 דקות, שנקבעה באליפות העולם בשחייה 2009, אחרי שיא העולם של כרישטוף מילאק, 1:50.73 דקות, שנקבע באליפות העולם בשחייה 2019.