Efter at have vundet udvælgelse til at konkurrere ved Sommer-OL 2012, blev Meilutytė den yngste litauiske svømmer til at konkurrere ved de moderne olympiske lege. I sin første begivenhed, 100 meter bryststroke, placerede Meilutytė første med en tid på 1:05.56, og brød den nationale litauiske svømningsrekord for 100 meter bryststroke. Ved 100 meter bryststroke semifinalen, Meilutytė også placeret første, ved at bryde hendes tidligere indstillet litauiske svømning rekord og hun også brød kvindernes 100 meter bryststroke europæiske rekord, med en tid på 1:05.21. I 100 meter bryststroke-finalen vandt hun guldmedaljen med en tid på 1:05.47. Meilutytė deltog også i 50 m freestyle
, hvor hun ikke nåede frem til semifinalen på trods af at have vundet sin heat og sat en ny national rekord på 25,55 sekunder, og 100 m frit.