Escriu una continuació per a aquest paràgraf - L'agost de 2012 Belmonte va guanyar dues medalles de plata als Jocs Olímpics d'estiu de 2012 a Londres. La primera medalla que va guanyar va ser una medalla de plata als 200 metres borboleta
- No. No només va ser la seva primera medalla olímpica, va ser la primera medalla guanyada per una dona nascuda a Espanya en natació en un Jocs Olímpics, i va ser la primera medalla per a Espanya en qualsevol esport en els Jocs Olímpics d'estiu de 2012. La seva segona medalla també va ser una medalla de plata, aquesta vegada en els 800 metres d'estil lliure darrere de Katie Ledecky, de 15 anys, i per davant de la titular del rècord mundial Rebecca Adlington. Es va convertir en la primera nedadora espanyola en guanyar dues medalles olímpiques.