Les Jeux olympiques de Sydney sont l'objectif de la saison 2000. Arnaud Tournant dispute son premier kilomètre de la saison en juin, lors de la manche de coupe du monde de Mexico. Il est le premier à courir cette distance avec un plateau de 52 dents et bat le record du monde, en . Aux championnats de France, il conserve son titre au kilomètre et est médaillé de bronze de la vitesse par équipes, avec son frère. Il est considéré comme le grand favori du kilomètre des Jeux olympiques, qui ont lieu en septembre. Il y connaît toutefois l'échec. Mal parti et quatrième après , puis refait son retard avant de se . Il réalise un temps décevant, . Effondré, il termine cinquième de la compétition remportée par la surprise Jason Queally. Le lendemain, il est au départ du tournoi de vitesse par équipes. Les Français réalisent le meilleur temps des qualifications. Ils éliminent les Canadiens puis retrouvent les Britanniques en finale. Arnaud Tournant effectue le dernier relai, où il fait mieux que Queally, accroît l'avance prise par Rousseau et Gané, et permet à l'équipe de France d'obtenir la médaille d'or. Après son échec au kilomètre, il se concentre sur les championnats du monde, disputés à Manchester. À domicile, le champion olympique Queally est d'abord battu par Lausberg. Arnaud Tournant devance ce dernier, en , et obtient son troisième titre consécutif sur le kilomètre. Meilleur temps des qualifications de vitesse par équipes, Gané, Rousseau et Tournant s'imposent plus difficilement que l'année précédente face aux Britanniques, avec 34 centièmes d'avance.