2014年4月11日に元競泳選手の細川大輔と結婚し、同年4月22日に妊娠5ヶ月であることを発表した。その後、同年9月に第一子となる女児を出産した。2014年4月1日から日本水泳連盟の新設「アスリート委員会」の委員となった。2015年6月13日にプロ野球交流戦の札幌ドームで北海道日本ハムファイターズの「ミズノデー」の横浜DeNAベイスターズ戦の始球式として務めた。2016年4月から、『報道ステーション』(テレビ朝日系）のスポーツキャスター（金曜日）を務める。2017年10月からスポーツマネジメント「スポーツビズ」と業務提携契約締結。
しかし2013年シーズンは右足首の故障が多く、パフォーマンスを維持できなかったため東京国体を最後に現役を退くことを決意、12月4日に会見を開き発表した。「水泳は生涯スポーツ」という理由から「引退」ではなく競技活動から「卒業」の表現を使用した。ミズノスイムチーム・アシスタントコーチとして水泳の普及と指導にあたっている。長身を生かした水着モデルの活動も継続しており、選手活動以外の仕事は「卒業」以前と変わらなかった。
2013年7月から8月にかけて行われたバルセロナで行われた世界水泳では、100m背泳ぎで59秒23の記録で3位に入り銅メダル、50m背泳ぎでも27秒53の記録で3位に入り銅メダルを獲得する。最終日に行われた女子4×100mメドレーリレー決勝では第1泳者（背泳ぎ）を務め、58秒70の記録で（100m背泳ぎの）日本新記録を更新した（日本チーム全体の総合タイムでは5位入賞）。
2012年4月に行われた日本選手権では出場種目を一種目に絞り、100m背泳ぎで59秒10の日本新記録で優勝してロンドンオリンピック代表に選ばれた。5月のジャパンオープン100m背泳ぎでは自身の持つ日本記録を0.02秒上回る59秒08で優勝を果たした。さらに、200mでも自己ベストの2分7秒84で優勝すると、50mでは自身の持つ日本記録を0秒02更新する27秒71で優勝を飾った。2012年のロンドンオリンピックでは、女子100m背泳ぎ決勝で58秒83の日本新記録ならびにアジア記録で銅メダルを獲得、寺川自身2度目のオリンピック出場で初のメダル獲得となった。また、競泳競技最終日の女子4×100mメドレーリレー決勝でも総合タイムでそれまでの同種目の日本記録を2秒近く縮めた日本新記録の3分55秒73で銅メダルを獲得した。日本の女子競泳選手で27歳でのオリンピックのメダル獲得は、北京オリンピック銅メダリストの中村礼子の26歳を上回り最年長記録となった。
木村隆志は、制作統括の三鬼一希がすみれの設定について「決して先頭に立ってリードするような女性ではない」と話していることを受け、すみれのセリフはヒロインにしては少ない分、表情や仕草をしっかり見せることで感情表現していると好評する一方、老齢期のすみれを演じる実年齢19歳の芳根のみずみずしさが、演技力や演出やメイクなどで隠しきれなかったと指摘した。主人公のモデルの孫にあたる「ファミリア」社長・岡崎忠彦は、主人公・すみれを演じる芳根のかわいさや、史実やファミリアの哲学を取り入れたストーリーなどに好感を述べた上で、実際の坂野惇子の性格は、すみれよりも姉のゆりに似ていると評した。NHKの木田幸紀放送総局長は、群像劇としてユニークな世界を描こうとしてくれたと評価し、「女性らしい肌触りのいいドラマ」「優しい作風」等表現した。ライターでドラマ評論家の成馬零一と、作家で五感生活研究所代表の山下柚実は、総評として主人公の口癖を引用し「なんか、なんかな」と述べている。成馬は、戦中に青春を過ごした母・すみれと、戦後に思春期を迎えた娘・さくらの対立を主軸に置いた物語の中盤を好評する一方、終盤は「対立する敵役を描けない」「無理やり晩年を描こうとする」「主演の若手俳優に老人役を演じさせる」といった近年の朝ドラが抱える問題により物語が迷走し、見ている側が「なんか……なんかな」と言いたくなる終わり方と述べた。山下は、番組開始当初は実在のモデルの人物像から、激動の時代の中できっちりと企業理念を保ち、質の良い子供服を丁寧に創りあげていく女性創業者の格闘ぶりが、神戸の街の魅力とともに描かれるのだろうと期待したが、それらがほとんど伝わらずに対人関係におけるありふれた小エピソードが多かったと指摘。その結果「親にとって子＝ぺっぴん」という物語を半年間延々と見せられたと思うと「なんか、なんかなー」と評し、朝ドラにおける「モデル」とは何なのかを、よく考えてみる必要がありそうだと述べた。上智大学文学部新聞学科教授でメディア評論家の碓井広義も、山下と同様に、期待外れやモデルの選択自体にどこか無理があったと述べ、物語の展開に起伏がないことにより退屈でテンポが悪い旨を指摘。更に主人公のすみれが暗く人間的魅力にあふれた人物に見えなかったことや夫・紀夫の存在感の薄さ、主人公の恵まれた環境などに視聴者が感情移入できなかったと推測した。エキレビで本作のレビューを連載していた木俣冬は、4K対応カメラを使って濃淡のある画面を作り神戸の異国情緒を感じさせるファンタジックな味わいに導いたことや、会話で話を進めるのではなく、画で見せるところや、語られない部分を想像させるように意識された渡辺千穂の脚本を評価。それらは本作と同じく戦中から戦後にかけて関西のアパレル界を舞台にした作品である連続テレビ小説『カーネーション』を意識し、『カーネーション』の好評だった部分を生かしながら、女性のたおやかさを大切にしたうえ、主人公が老いたところまでひとりの俳優に演じさせることに挑もうとしたと推察した。一方、不特定多数の視聴者への配慮や表現への模索などを試行錯誤した結果、芯のある主人公という当初の設定が覆い隠されたと指摘し、SNSやツイッターの意見に影響されない作家の芯が必要ではないかと総括した。