Packer deltok i OL 1964 i Tokyo. Opprinnelig hadde hun tenkt å bara løpe favorittdistansen 400 meter. Etter å ha tatt sølv, slått med to tideler av Australias Betty Cuthbert, valgte hun å stille til start på 800 meter. Det var en distanse Packer hadde løpt bare fem ganger tidligere. Etter så vidt å ha gått videre til finalen, gjorde hun sitt livs løp og spurtet forbi ledende Maryvonne Dupureur fra Frankrike. Dermed vant Packer gull på ny verdensrekord, 2.01,1.