En 1999, elle épouse le docteur Ian Thompson, et devient Tanni Grey-Thompson. Aux Jeux de 2000 à Sydney, elle remporte une nouvelle fois la médaille d'or à chacune de ses quatre épreuves de prédilection, les seules auxquelles elle prend part pour ces Jeux. Pour ses derniers Jeux, à Athènes en 2004, elle termine quatrième, au pied du podium au 200 mètres, que remporte la Canadienne Chantal Petitclerc, et ne finit que septième sur 800 mètres. Elle conserve néanmoins ses titres sur 100 mètres et 400 mètres, ajoutant ainsi deux dernières médailles d'or à son palmarès. La même année, elle est nommée Dame commandeur de l'ordre de l'Empire britannique, et devient Dame Tanni Grey-Thompson.