V avgustu 2012 je Belmonte osvojil dve srebrni medalji na poletnih olimpijskih igrah v Londonu. Prva medalja, ki jo je osvojila, je bila srebrna medalja na 200-metrski metri z metuljem.
-Kaj? To ni bila le njena prva olimpijska medalja, temveč je bila tudi prva medalja španskega porekla pri plavanju na olimpijskih igrah in prva medalja za Španijo v katerem koli športu na poletnih olimpijskih igrah 2012. Njena druga medalja je bila tudi srebrna medalja, tokrat v 800-metrski svobodni stilu za 15-letno Katie Ledecky in pred svetovno rekorderko Rebecca Adlington. Postala je prva španska plavalka, ki je osvojila dve olimpijski medalji.