לאחר שלא הצליח לעשות זאת באתונה, הפעם עמד מייקל פלפס ביעד שהציב לעצמו, שבר את שיאו של מארק ספיץ וזכה בשמונה מדליות זהב. פלפס היה בכך לספורטאי הראשון בהיסטוריה שמגיע להישג כזה, וגם היה לספורטאי בעל מספר מדליות הזהב הכולל הגבוה בהיסטוריה - 14. בשיא הקודם, 9 מדליות זהב, החזיקו ארבעה ספורטאים: האתלט הפיני פאבו נורמי, המתעמלת הסובייטית לאריסה לטינינה, מארק ספיץ וקארל לואיס. מספר המדליות האולימפיות הכולל בהן החזיק לאחר המשחקים, 16, עדיין נותר נמוך ממספר המדליות הכולל בהן זכתה לטינינה (18). בשבעה מהמשחים בהם ניצח פלפס נשברו שיאי עולם: 200 מטר חופשי (1:42.96 דקות), 200 מטר פרפר (1:52.03 דקות), 200 מטר מעורב אישי (1:54.23 דקות), 400 מטר מעורב אישי (4:03.84 דקות), 100X4 מטר חופשי (3:08.24 דקות), 200X4 מטר חופשי (6:58.56 דקות) ו-100X4 מטר מעורב (3:29.34). במשחה השמיני, המשחה ל-100 מטר פרפר, הסתפק פלפס בקביעת שיא אולימפי (50.58 שניות). משחה זה היה גם המשחה היחיד שהיה צמוד. עוד בשלב המוקדמות קבע השחיין הסרבי מילוראד צ'אביץ' שיא אולימפי (50.76 שניות), וגם בשלב חצי הגמר הקדים את פלפס. בשלב הגמר הוביל לאורך רוב המשחה, אך בסופו של דבר הקדים אותו פלפס במאית השנייה בלבד, זכה במדליית הזהב, ושבר את השיא האולימפי שקבע צ'אביץ' יומיים קודם לכן. המשלחת הסרבית ערערה בתחילה על התוצאות, שכן בצילומי הטלוויזיה נראה היה שצ'אביץ' הגיע קודם, אלא שפלפס נגע בלוח המגע לפניו, ו-FINA דחתה את הערעור. צ'אביץ' עצמו לא היה מעוניין בערעור, וציין כי הוא נכנס למשחה בשאיפה לזכות במדליית ארד, ושמח לזכות במדליית כסף.
שותפיו של פלפס לשיא העולם ב-100X4 מטר חופשי היו קאלן ג'ונס, גארט ובר-גייל וג'ייסון ליזאק, שזכה גם במדליית ארד במשחה ל-100 מטר חופשי. לשיא העולם ב-200X4 מטר חופשי היו שותפים גם ריקי ברנס, פיטר ואנדרקיי (שזכה גם במדליית ארד במשחה ל-200 מטר חופשי) וראיין לוכטה, שקבע גם שיא עולם במשחה ל-200 מטר גב (1:53.94 דקות) וזכה במדליות ארד במשחים ל-200 ול-400 מטר מעורב אישי. במשחה השליחים המעורב השתתפו גם ברנדן הנסן, ג'ייסון ליזאק וארון פירסול, שקבע גם שיא עולם במשחה ל-100 מטר גב (52.54 שניות) וזכה במדליית הכסף במשחה ל-200 מטר גב. בנוסף, זכה מאט גריוורס במדליית כסף במשחה ל-100 מטר גב.
רבקה סוני קבעה שיא עולם במשחה ל-200 מטר חזה (2:20.22 דקות) וזכתה במדליית כסף במשחה ל-100 מטר חזה. נטלי קוגלין זכתה במדליית זהב במשחה ל-100 מטר גב ובמדליות ארד במשחים ל-100 מטר חופשי ו-200 מטר מעורב אישי. כן הייתה שותפה למדליות הכסף בהן זכו נבחרות השליחות ל-100X4 מטר חופשי ו-100X4 מטר מעורב, ולמדליית הארד בה זכתה נבחרת השליחות ל-200X4 מטר חופשי. דארה טורס, שהייתה שותפה לזכייה במשחים ל-100X4 מטר חופשי ו-100X4 מטר מעורב, זכתה גם במדליית כסף במשחה ל-50 מטר חופשי. טורס, שהייתה בת 41 בזמן המשחקים, סיימה את המשחה בהפרש של מאית השנייה מהמנצחת, בריטה שטפן, וקבעה שיא אמריקה חדש (24.07 שניות). היא זכתה במדליה האולימפית ה-12 שלה, וחתמה קריירה אולימפית שהחלה 24 שנים קודם לכן. קייטי הוף, שהתחרתה במשחה השליחות ל-200X4 מטר זכתה גם במדליית כסף במשחה ל-400 מטר חופשי ובמדליית ארד במשחה ל-400 מטר מעורב אישי. כריסטין מגנוסון, שהתחרתה במשחה השליחות המעורב, זכתה גם במדליית כסף משחה ל-100 מטר פרפר. שחיינית נוספת, מרגרט הולצר, זכתה במדליית כסף במשחה ל-200 מטר גב ובמדליית ארד במשחה לחצי המרחק.
אתלטיקה.
באתלטיקה זכו האמריקאים ב-25 מדליות, מהן 7 מדליות זהב.
נבחרת השליחים ל-400X4 מטר קבעה שיא אולימפי חדש (2:55.39 דקות). להישג היו שותפים גם: לאשון מריט, שזכה במדליית הזהב גם בריצת 400 מטר; ג'רמי וורינר, שאיבד את תוארו למריט וזכה במדליית הכסף במרוץ זה; דייוויד נוויל, שזכה במדליית הארד בריצת 400 מטר; ואנג'לו טיילור, שזכה גם במדליית הזהב בריצת 400 מטר משוכות. בריאן קליי, שיפר את הישגו מאתונה וזכה במדליית הזהב בקרב עשר. שון קרופורד זכה במדליית כסף בריצת 200 מטר ווולטר דיקס זכה במדליות ארד בריצת 100 מטר ובריצת 200 מטר. בריצת 110 מטר משוכות זכה דייוויד פיין במדליית כסף ודייוויד אוליבר במדליית ארד. קירון קלמנט זכה במדליית כסף בריצת 400 מטר משוכות, וברשון ג'קסון זכה במדליית הארד. כריסטיאן קנטוול זכה במדליית כסף בהדיפת כדור ברזל. נבחרת השליחים ל-100X4 מטר נפסלה בשלב המוקדמות.
נבחרת השליחות ל-400X4 מטר זכתה אף היא במדליית הזהב. אליסון פיליקס, שהייתה חברה בנבחרת, זכתה במדליית כסף שנייה ברציפות בריצת 400 מטר, וסניה ריצ'רדס זכתה במדליית הארד. דון הרפר זכתה במדליית הזהב בריצת 100 מטר משוכות וסטפני בראון טראפטון זכתה במדליית הזהב בזריקת דיסקוס. יתר זוכות המדליות היו שינה טוסטה (מדליית כסף בריצת 400 מטר משוכות), ג'ן שור (מדליית כסף בקפיצה במוט), הייליס פאונטיין (מדליית כסף בקרב שבע), שליין פלנגן (מדליית כסף בריצת 10000 מטר) ושונטה הרווארד שזכתה במדליית ארד בקפיצה לגובה לאחר שב-2016 הורשעו שלוש מתחרותיה באימרוץ.
ענפי כדור קבוצתיים.
אחרי הכישלון באתונה, שבה נבחרת הכדורסל וזכתה בתואר האולימפי. השחקנים היחידים שנותרו בסגל היו כרמלו אנתוני, קרלוס בוזר, לברון ג'יימס ודוויין וייד. אליהם הצטרפו כריס בוש, קובי בראיינט, דווייט הווארד, דרן ויליאמס, כריס פול, טיישון פרינס, ג'ייסון קיד ומייקל רד. הנבחרת לא התקשתה בשלב הבתים, והביסה את יריבותיה בתוצאה הממוצעת 71–103. בחצי הגמר גברה על האלופה היוצאת, ארגנטינה, 81-101, ובמשחק הגמר ניצחה את ספרד 107–118. גם נבחרת הנשים לא התקשתה בשלב הבתים, והביסה את יריבותיה בתוצאה הממוצעת 55–98. בחצי הגמר ניצחה את רוסיה 52–67, ובמשחק הגמר הביסה את אוסטרליה בתוצאה 65–92. הייתה זו זכייתה השישית בתואר, והרביעית ברציפות. רוב הסגל התבסס על השחקניות ששיחקו גם באתונה.
נבחרת הגברים בכדורעף זכתה אף היא במדליית זהב, לאחר ניצחון על נבחרת רוסיה בחצי הגמר ועל נבחרת ברזיל בגמר. נבחרת הנשים גברה בחצי הגמר על נבחרת קובה, הפסידה במשחק הגמר לנבחרת ברזיל וזכתה במדליית הכסף. נבחרת הנשים בכדורגל שמרה על תוארה, לאחר שגברה בחצי הגמר על נבחרת יפן, ובמשחק הגמר, שהיה שחזור של הגמר באתונה, גברה לאחר הארכה על נבחרת ברזיל. נבחרת הגברים הודחה כבר בשלב הבתים. שתי נבחרות הכדורמים זכו במדליות כסף. הנשים ניצחו את אוסטרליה בחצי הגמר והפסידו להולנד בגמר, והגברים גברו על סרביה והפסידו להונגריה. נבחרת הסופטבול סיימה את שלב הבתים ללא הפסד, אך במשחק הגמר נכנעה לנבחרת יפן וזכתה במדליית הכסף. נבחרת הבייסבול זכתה במדליית הארד לאחר הפסד לנבחרת קובה וניצחון על נבחרת יפן.
ענפים אחרים.
בהתעמלות זכו האמריקאים ב-10 מדליות, מהן שתי מדליות זהב. נסטיה ליוקין זכתה במדליית זהב בקרב-רב, במדליות כסף בתרגיל המקבילים המדורגים, בתרגיל הקורה ובתחרות הקבוצתית ובמדליית ארד בתרגיל הקרקע. שון ג'ונסון בת ה-16 זכתה במדליית זהב בתרגיל הקורה ובמדליות כסף בקרב-רב, בתרגיל הקרקע ובתחרות הקבוצתית. ג'ונתן הורטון זכה במדליית כסף בתרגיל המתח ובמדליית ארד בתחרות הקבוצתית.
הקלעים זכו בשש מדליות, שתיים מכל סוג. במדליות הזהב זכו וולטון אלר ווינסנט הנקוק. קים רוד זכתה במדליה אולימפית רביעית ברציפות, מדליית כסף, ומתיו אימונס איבד את תוארו מאתונה וזכה אף הוא במדליית כסף. שני צמדי כדורעף החופים זכו במדליות זהב: קרי וולש ומיסטי מיי-טרינור שמרו על תוארן ובטורניר הגברים ניצחו טוד רוג'רס ופיל דלהאוסר. הסייפת מריאל זגוניס זכתה במדליית זהב שנייה ברציפות בחרב, וגם הייתה שותפה לזכייה במדליית הארד בתחרות החרב הקבוצתית. שותפותיה, סאדה ג'ייקובסון ובקה וורד זכו במדליות הכסף והארד בטורניר החרב ליחידות. נבחרת הנשים ברומח ונבחרת הגברים בחרב זכו במדליות כסף. רוכבי האופניים זכו בחמש מדליות, בהן מדליית זהב אחת, בה זכתה קריסטין ארמסטרונג, במרוץ אופני כביש נגד השעון. לוי ליפהיימר זכה במדליית ארד במקצה המקביל לגברים. בחתירה זכו האמריקאים במדליה אחת מכל סוג: שמיניית הנשים זכתה במדליית זהב, מישל גרט זכתה במדליית כסף במקצה היחידות, ושמיניית הגברים זכתה במדליית ארד. גם ברכיבה רשמו האמריקאים תוצאה דומה: הנבחרת זכתה במדליית זהב בקפיצות, ג'ינה מיילס זכתה במדליית כסף במקצה היחידים וביזי מאדן זכתה במדליית הארד במקצה הקפיצות ליחידים. שני שייטים אמריקאים זכו במדליות: אנה טאניקליף זכתה במדליית זהב בדגם לייזר רדיאל וזאק ריילי זכה במדליית כסף בדגם פין. המתאבק הנרי סג'ודו זכה במדליית זהב בקטגוריית המשקל של עד 55 ק"ג ושני מתאבקים נוספים זכו במדליות ארד. אחרי שתי זכיות רצופות, איבד לוחם הטאקוונדו סטיבן לופז את התואר האולימפי, והסתפק במדליית ארד, בקטגוריית המשקל של עד 80 ק"ג. אחיו מארק זכה במדליית כסף בקטגוריית המשקל של עד 68 ק"ג ואחותו דיאנה זכתה במדליית ארד בקטגוריית המשקל של עד 57 ק"ג. אמריקאים נוספים זכו במדליות באיגרוף ובג'ודו.