In 2003 won Defar brons op de wereldindoorkampioenschappen de 3000 m in Birmingham in 8.42,58. Het jaar erna leverde zij de grootste prestatie uit haar carrière. Nadat zij aan het begin van het jaar in Boedapest voor de eerste maal wereldindoorkampioene was geworden op de 3000 m, veroverde zij die zomer op de Olympische Spelen van Athene goud op de 5000 m in een tijd van 14.45,65. Ze eindigde voor de Keniaanse Isabella Ochichi (zilver) en de Tirunesh Dibaba (brons). Hoewel zij zichzelf van tevoren kansen op de overwinning had toegedicht, had ze toch ook haar twijfels gehad, zelfs tijdens de race. "Ik moedigde de anderen tijdens de race wel aan om te blijven doorvechten, maar voor mezelf maakte ik mij zorgen, want ik kon net zo goed eerste als vierde worden. Toen ik 200 meter voor het einde de aanval kon inzetten, wist ik echter dat ik ging winnen."