Brady returnerte fra kneskaden sin og var starter i Super Bowl XXXVI en uke senere i Louisiana Superdome i New Orleans. Til tross for at de var underdogs spilte Patriots bra, og holdt ledelsen til 17–3 i tredje kvarter. Rams kom tilbake og med 1:30 igjen av kampen var stillingen uavgjort, 17–17. Patriots fikk så ballen på sin egen 17-yard linje, uten flere timeouts. Kommentator og tidligere Super Bowl-vinner som hovedtrener John Madden sa at han mente at Patriots burde la tiden gå ut og prøve å vinne på ekstratid. Brady presset istedenfor Patriots fremover ned til Rams 31-yard linje hvor han spiket ballen med 7 sekunder igjen på klokken. Kicker Adam Vinatieri sikret et field goal fra 48 yards mens tiden gikk ut, og sikret Patriots' første Super Bowl-seier noensinne. Brady ble utpekt til MVP med 145 pasningsyards, én touchdown og ingen interceptions. Brady ble den yngste quarterbacken til å vinne et Super Bowl da han var 24 år og seks måneder, yngre enn Joe Namath i Super Bowl III og Joe Montana i Super Bowl XVI, som begge var 25 år, syv måneder og 13 dager gamle da de vant. Bledsoe ble byttet til Buffalo Bills i offseason; dette bekreftet Bradys status som startende quarterback.