En début de saison 2004, la Russe enlève les deux titres des épreuves de saut lors des Championnats du monde en salle de Budapest, s'imposant tout d'abord dans le concours du triple saut avec 15,36 m, nouveau record du monde de la discipline. Le lendemain, elle s'adjuge le titre du saut en longueur avec 6,98 m, devançant de peu sa compatriote Tatiana Kotova et la Suédoise Carolina Klüft. Favorite des Jeux olympiques d'été de 2004, Tatiana Lebedeva ne se classe que troisième du triple saut avec 15,14 m, la victoire revenant à Françoise Mbango. Quatre jours plus tard, le , elle devient championne olympique du saut en longueur avec la marque de 7,07 m, ne devançant que de deux centimètres seulement ses compatriotes Irina Simagina et Tatiana Kotova. Elle devient ainsi la première athlète féminine médaillée olympique dans les deux épreuves de sauts. Deuxième des finales mondiales de l'IAAF, elle figure au premier rang des bilans mondiaux de l'année 2004, grâce à ses performances de 7,33 m à la longueur (Toula le ) et de 15,34 m au triple saut (Héraklion le ), ces marques constituant toujours ses records personnels en plein air.