Escriure una continuació per a aquest paràgraf - Després de guanyar la selecció per competir als Jocs Olímpics d'estiu de 2012, Meilutytė es va convertir en la nadadora lituana més jove que va competir als Jocs Olímpics moderns. En el seu primer esdeveniment, els 100 metres de braç, Meilutytė es va situar en primer lloc, amb un temps de 1:05.56, i va trencar el rècord nacional lituà de natació per als 100 metres de braç. A les semifinales dels 100 metres de braç, Meilutytė també es va classificar en primer lloc, trencant el seu rècord de natació lituà establert anteriorment i també va trencar el rècord europeu de 100 metres de braç femení, amb un temps de 1:05.21. Durant la final dels 100 metres de braç, va guanyar la medalla d'or, amb un temps de 1:05.47. Meilutytė també va competir als 50 metres d'estil lliure
, on no va poder avançar a la semifinal malgrat guanyar la seva calor i establir un nou rècord nacional de 25,55 segons, i els 100 metres d'estil lliure.