Bei den aufgrund der COVID-19-Pandemie um ein Jahr verschobenen Olympischen Sommerspielen in Tokio startete Wellbrock über 800 Meter Freistil, 1500 Meter Freistil und im 10-Kilometer-Freiwasser-Wettbewerb. Im Finale seiner ersten Disziplin über 800 m Freistil führte er bis zur letzten Wende, musste sich dann aber hinter dem US-Amerikaner Robert Finke sowie Gregorio Paltrinieri und Mychajlo Romantschuk mit dem vierten Platz zufriedengeben. Im Finale des 1500-m-Freistil-Wettbewerbs wurde er hinter Finke und Romantschuk Dritter und somit Bronzemedaillengewinner. Es war die erste Olympiamedaille für einen deutschen Schwimmer seit der Bronzemedaille über 100 m Rücken für Stev Theloke bei den Olympischen Spielen 2000 in Sydney. Im abschließenden 10-Kilometer-Freiwasserschwimmen gewann er in einer Zeit von 1:48:33 h mit 25 Sekunden Vorsprung vor dem Ungarn Kristof Rasovszky die Goldmedaille. Er war damit der erste deutsche Schwimmsportler seit Britta Steffen 2008, der eine Goldmedaille bei Olympischen Spielen gewann.