Efter at have vundet seks guldmedaljer ved EM i 1999
Van den Hoogenband var en af favoritterne til sommer-OL 2000, men hans modstandere var formidabel. I 200 m freestyle mødte han verdensrekordholderen, den australske unge Ian Thorpe, der var favorit for hjemmeholdet i Sydney. I semifinalen satte Van den Hoogenband en ny verdensrekord, men Thorpe modvirkede med en tid kun 0,02 s langsommere. I en spændende finale, vandt Van den Hoogenband guldmedaljen. I 100 m freestyle satte Van den Hoogenband igen en verdensrekord i semifinalen og vandt sin anden guldmedalje ved at besejre mesteren fra 1992 og 1996, Alexander Popov. Hans 100 m verdensrekord stod indtil 21. marts 2008 og blev brudt af Frankrigs Alain Bernard (47.60). Van den Hoogenband vandt yderligere to medaljer, begge bronze, i 50 m freestyle og 4 × 200 m freestyle stafette, hvor han var den sidste svømmer.