Vincendo i 200 m rana ai trials statunitensi si è guadagnata la partecipazione alla XXIX Olimpiade, dove ha conseguito il record del mondo ed ottenuto l'oro nei 200 metri rana con il tempo di 2'20"22, primato del mondo strappato ad una Leisel Jones fino a quel momento considerata imbattibile. Si è inoltre classificata seconda nei 100 metri rana e nella staffetta 4x100 metri misti con Natalie Coughlin, Christine Magnuson e Dara Torres. Nel 2009, ai Campionati mondiali di Roma, ha stabilito il record del mondo anche nella semifinale dei 100 metri rana con 1'04"84. Alle Olimpiadi di Londra 2012 ha stabilito il record mondiale nei 200 metri rana, sempre in semifinale, con il tempo di 2'20"00, poi migliorato in finale con 2'19"59, prestazione con cui si è aggiudicata la medaglia d'oro.