В предварительном заплыве на 100 метров вольным стилем канадка приплыла третьей с результатом 53,53 секунды и с пятым временем вышла в полуфинал. Там она приплыла второй с результатом 52,72 секунды. Этот заплыв оказался самым быстрым, и канадка стала второй среди всех шестнадцати участниц полуфинальной стадии. Помимо этого, Пенни установила мировой рекорд среди юниоров, национальный рекорд Канады и рекорд Америки в дисциплине 100 метров вольным стилем. В составе сборной Канады стала бронзовым призёром в эстафете 4×200 метров вольным стилем. Канадки приплыли с результатом 7 минут 45,39 секунды и установили национальный рекорд страны. 11 августа Пенни Олексяк стала олимпийской чемпионкой на «королевской» дистанции 100 метров вольным стилем. Победные результаты канадки и американки Симоне Мануэл (52,7 секунды) совпали, и, таким образом, обе пловчихи стали чемпионками игр на одной дистанции и обладательницами олимпийского рекорда.