Hun representerte olympiske utøvere fra Russland under Vinter-OL 2018. I lagkonkurransen vant hun friprogrammet, som ga ti poeng i lagkonkurransen, og de olympiske utøverne fra Russland fikk sølv i lagkonkurransen sammenlagt, bak Canada. Hun fikk karakteren 158,08, som var ny personlig rekord, og hennes tekniske karakter (83,06) var den høyeste som noen sinne var oppnådd i lagkonkurranse for kvinner. I den individuelle konkurransen scoret hun 82,92 poeng, som var ny verdensrekord, og slo med det Medvedevas tidligere rekord på 81,61 som hun oppnådde tidligere samme kveld. Zagitova vant olympisk gull i kunstløp, med ny personlig rekord på 239,57 poeng. Hun gjorde seg bemerket med bl.a. å ha alle ti hopp i andre halvdel av friprogrammet, noe som gir 10 % bonus for hvert hopp.