Po tem, ko je bila izbrana za tekmovanje na poletnih olimpijskih igrah 2012, je Meilutytė postala najmlajša litovska plavalka, ki je tekmovala na sodobnih olimpijskih igrah. V svojem prvem tekmovanju, 100 metrov prsni udar, je Meilutytė osvojila prvo mesto s časom 1:05.56 in zlomila nacionalni litovski plavalni rekord za 100 metrov prsni udar. V polfinalu 100 metrov na prsi je Meilutytė s časom 1:05.21 presegla svoj prejšnji litovski plavalni rekord in evropski rekord na 100 metrov na prsi. V finalu na 100 metrov je osvojila zlato medaljo s časom 1:05.47. Meilutytė je tekmovala tudi na 50 metrov prostim stilom.
, kjer ji ni uspelo priti do polfinala, čeprav je zmagala v svoji kategoriji in postavila nov nacionalni rekord 25,55 sekunde, in 100 m prosti stil.