Pada Olimpiade Musim Panas 2004 di Athena, Tregubova kembali lolos untuk 50 m gaya bebas
dengan eclipsing FINA B-cut dari 26,90 dari Rusia Terbuka Kejuaraan di Moskow. Berenang dalam panas yang sama dengan Sydney, ia mengambil tempat kedua di atas Roshendra Vrolijk di Aruba dengan 0,03 detik, di luar waktu masuknya 28,40. Tregubova gagal lolos ke semifinal, karena ia menempati posisi keempat puluh delapan dari 75 perenang pada hari terakhir babak penyisihan.