2001 erreichte Məmmədov bei den Weltmeisterschaften das Finale. In diesem traf er erneut auf Rigondeaux und musste sich ihm wieder geschlagen geben (30:24). Noch im selben Jahr gewann Məmmədov die Mittelmeerspiele in Tunis. Vor den Europameisterschaften 2002 kehrte Məmmədov in sein Heimatland zurück und nahm wieder die aserbaidschanische Staatsbürgerschaft an. Die Meisterschaften endeten für ihn jedoch schon im Viertelfinale. Besser lief es für Məmmədov bei den Weltmeisterschaften 2003. Im Achtelfinale feierte er einen sensationellen Sieg über Rigondeaux (16:13) und damit war für ihn der Weg zum Weltmeistertitel frei. Im Halbfinale schlug er Detelin Dalakliew, Bulgarien (21:15), und im Finale Gennadi Kowaljow, Russland (17:8). Bei den im Folgejahr stattfindenden Olympischen Spielen in Athen ging Məmmədov somit als Favorit ins Rennen. Nach Siegen über Joel Brunker, Australien (RSC 3.), Dalakliew (35:16), und Maxim Tretyak, Ukraine (32:12), schied er jedoch im Halbfinale gegen den späteren Silbermedaillengewinner Worapoj Petchkoom, Thailand (27:19) aus und gewann damit eine olympische Bronzemedaille.