En els Jocs Olímpics d'estiu de 2004 a Atenes, Tregubova es va classificar novament per als 50 m d'estil lliure
eclipsant un recort de la FINA de 26,90 del Campionat de Rússia a Moscou. Nant en la mateixa calor que Sydney, va agafar un segon lloc sobre Roshendra Vrolijk d'Aruba per 0.03 de segon, fora del seu temps d'entrada de 28.40. Tregubova no va poder avançar a les semifinales, ja que es va situar en el 48è lloc de 75 nadadors en l'últim dia de les preliminares.