L'1 d'agost de 2012, Mireia Belmonte guanyà la primera medalla de plata olímpica de natació als Jocs Olímpics d'estiu de 2012 a la prova dels 200 metres papallona darrere la número 1 del món, la xinesa Jiao Liuyang, amb un temps de 2:05.25. Dos dies després va aconseguir la seva segona medalla d'argent, aquest cop en els 800 metres lliures, prova en què a més, amb un temps de 8:18.76, va batre en 4 segons el rècord estatal espanyol, que ella mateixa havia fixat en 8:22.78 el desembre de 2011.