באליפות העולם בשחייה שנערכה בברצלונה ב-2003, זכה פלפס ב-6 מדליות, מהן 4 מדליות זהב ו-2 מדליות כסף. מדליות זהב, במשחה ל-200 מטר פרפר בתוצאה של 1:54.35 דקות, בשלב חצי הגמר הוא שבר את שיאו העולמי והעמיד אותו על 1:53.93 דקות, במשחה ל-200 מעורב אישי בשיא עולם חדש של 1:56.04 דקות ובמשחה ל-400 מטר מעורב בשיא עולם חדש נוסף של 4:09.09 דקות. נוסף לכך, הוא זכה במדליית זהב במשחה שליחים 4X100 מטר מעורב, לאחר ששחה בשלב המוקדמות. מדליות כסף, במשחה ל-100 מטר פרפר, בתוצאה של 51.10 שניות, אחרי בן ארצו איאן קרוקר, שקבע שיא עולם חדש של 50.98 שניות. בשלב חצי הגמר קבע פלפס שיא עולם חדש של 51.47 שניות ובמשחה שליחים 4x200 מטר חופשי בתוצאה של 7:10.26 דקות, אחרי אוסטרליה (7:08.58 דקות).