Belmonte vandt en historisk sejr for Spanien ved at vinde guldmedaljen i 200 meter sommerfugl.
Den 10. august i en tid på 2:04.85, hvilket var 3 hundrededele af et sekund foran sølvmedaljevinderen, den australske svømmer Madeline Groves. Hun var den første spanske kvindelige svømmer, der blev olympisk mester. Hendes guldmedalje var den første guldmedalje i svømmebassinet ved et olympisk spil for en spansk svømmer af ethvert køn siden 1992.