Bei den Weltmeisterschaften 2003 in Barcelona gelang Phelps die Titelverteidigung über 200 m Schmetterling. Zudem gewann er dort Gold über beide Lagendistanzen. In allen drei Rennen stellte Phelps neue Weltrekorde auf, über 200 m Lagen gelang ihm dies sowohl im Vorlauf als auch im Finale. Über 100 m Schmetterling galt er ebenfalls als erster Anwärter auf den Weltmeisterthron, da er im Vorlauf auch diese Weltbestmarke in seinen Besitz gebracht hatte. Das Finale gewann Phelps’ Teamkollege Ian Crocker, der den am Vortag aufgestellten Weltrekord von Phelps nochmals um fast eine halbe Sekunde verbesserte und als erster Schwimmer überhaupt unter 51 Sekunden blieb. Für den Startplatz in der Lagenstaffel bekam Crocker den Vorzug gegenüber Phelps und gewann dadurch sein zweites WM-Gold. Phelps bekam aber ebenfalls eine Goldmedaille verliehen, da er im Vorlauf dieses Wettbewerbes angetreten war. Mit der 4×200-m-Freistilstaffel konnte Phelps seinen fünf Medaillen schließlich noch eine weitere Silbermedaille hinzufügen.