I august 2012 vandt Belmonte to sølvmedaljer ved Sommer-OL i London. Den første medalje hun vandt var en sølvmedalje i 200 meter sommerfugl
- Hvad? Det var ikke kun hendes første olympiske medalje, det var den første medalje vundet af en spanskfødt kvinde i svømning ved et olympisk spil, og det var den første medalje for Spanien i en hvilken som helst sport ved Sommer-OL 2012. Hendes anden medalje var også en sølvmedalje, denne gang i 800 meter freestyle bag 15-årige Katie Ledecky og foran verdensrekordindehaveren Rebecca Adlington. Hun blev den første spanske svømmer til at vinde to olympiske medaljer.