Nel pomeriggio dello stesso giorno cercò il riscatto nelle batterie dei 200 m che vinse con il nuovo primato mondiale di 1'55"45, migliorando il precedente di Laure Manaudou. In finale salì sul gradino più alto del podio precedendo di pochi centesimi la slovena Sara Isaković in 1'54"82, ritoccando ancora una volta il suo stesso record del mondo e regalando all'Italia il primo oro femminile olimpico del nuoto. Terminò la propria rassegna olimpica come frazionista della 4×200 m stile libero, che si fermò al 4º posto con il nuovo record europeo di 7'49"76 (frazione 1'54"98).