Han ble olympisk mester på 400 meter hekk i Sommer-OL 2020 i Tokyo. I finalen satte han verdensrekord (og olympisk rekord) på distansen med tiden 45,94. Warholm slo da sin egen verdensrekord på 46,70 som han satte 1. juli 2021 under Bislett Games i Oslo. Han hadde også den norske rekorden på 400 m flatt fra 2016 til 2023.