Ateenan kesäolympialaisiin 2004 Brembilla lähti hakemaan olympiamitalia uransa kruunuksi. Valmistautuminen kilpailuihin sujui hyvin, sillä Brembilla voitti Madridissa järjestetyissä pitkän radan EM-kilpailuissa neljännen pitkän radan Euroopan mestaruutensa 400 metrin vapaauinnissa ja kolmannen mestaruutensa 4 × 200 metrin vapaauintiviestistä.