Bei ihren zweiten Olympischen Spielen in Tokio 2021 stellte Zhang bei ihrem Olympiasieg mit einer Zeit von 2:03,86 Minuten einen neuen olympischen Rekord über 200 m Schmetterling auf. Mit der chinesischen Staffel stellte Zhang im Finale über 4 × 200 m Freistil einen neuen Weltrekord auf. Zudem gewann Zhang Silber über 100 m Schmetterling und in der 4 × 100 m Lagen Mixed-Staffel.