Po osvojitvi šestih zlatih medalj na evropskem prvenstvu leta 1999
Van den Hoogenband je bil eden od favoritov na poletnih olimpijskih igrah leta 2000, vendar so bili njegovi nasprotniki grozni. Na 200 m svobodnega stila se je soočil z svetovnim rekordnikom, avstralskim mladeničem Ianom Thorpem, ki je bil v Sydneyu priljubljen domači občinstvu. V polfinalu je Van den Hoogenband postavil nov svetovni rekord, Thorpe pa se je odzval s časom, ki je bil samo 0,02 s počasnejši. V razburljivem finalu je Van den Hoogenband izenačil svoj čas iz polfinala in osvojil zlato medaljo. Van den Hoogenband je v polfinalu ponovno postavil svetovni rekord in osvojil svojo drugo zlato medaljo, ko je premagal prvaka leta 1992 in leta 1996, Aleksandra Popova. Njegov svetovni rekord na 100 m je stal do 21. marca 2008, ko ga je zlomil francoski Alain Bernard (47,60). Van den Hoogenband je osvojil še dve bronasti medalji, v 50 m svoboden stil in v štafeti 4 × 200 m svoboden stil, v kateri je bil zadnji plavalec.