En 2008, Femke Heemskerk franchit un palier. D'abord, elle bat son premier record du monde grâce au relais néerlandais du 4 × 100 m libre : lors des championnats d'Europe d'Eindhoven, les nageuses locales établissent une nouvelle marque en 3 min 35 s 22, performance qui leur vaut l'or. Le relais, composé de Heemskerk, Dekker, Kromowidjojo, et Veldhuis, atteint aussi la quatrième place du 4 × 200 libre. En individuel, Heemskerk atteint deux fois les demi-finales, sur 200 m libre et 200 m papillon. Elle enchaîne le mois suivant avec les championnats du monde petit bassin, à Manchester. Elle obtient deux médailles d'or avec deux records du monde sur les relais 4 × 100 m et 4 × 200 m libre. L'équipe des relais est la même qu'à Eindhoven. À cela s'ajoutent une médaille d'argent sur 200 m libre - sa première médaille individuelle - et une cinquième place en finale du 100 m papillon. Heemskerk poursuit sur sa lancée lors des championnats des Pays-Bas où elle établit trois nouveaux records nationaux, sur 200 m libre (1 min 57 s 86), 200 m 4 nages (2 min 15 s 52) et 100 m dos (1 min 2 s 65).