Завърши следното изречение: Във второто си състезание на 9 август, 200-метровата пеперуда, той става първият плувец в историята, който прави пет финала в едно и също състезание, след като завършва пети през 2000 г., първи през 2004 г. и 2008 г. и втори през 2012 г. (Федерика Пелегрини ще бъде вторият плувец, който ще го направи на Олимпийските игри през 2020 г.) В Рио той печели титлата, която е загубил от Чад ле Клос четири години по-рано в Лондон, надминавайки Масато Сакай с 0.04 секунди. Фелпс заявява, че връщането на титлата е била основната му цел по време на завръщането му. Предварителната и финалната част на състезанието бяха силно рекламирани като реванш между Фелпс и Льо Клос. Отношенията между Льо Клос и Фелпс са били сърдечни още през 2012-13 г., но се влошават през 2014 г., когато Фелпс се връща от пенсиониране и предполага, че настоящите времена на пеперуда са бавни. В залата за подготовка преди предварителното състезание, боксът на сянка на Ле Клос, докато Фелпс "блеснеше в ъгъла" породи интернет мема с хаштага #PhelpsFace. Биографията на Ле Кло в Уикипедия дори е била вандализирана след финала на събитието. На 31-годишна възраст, победата прави Фелпс не само най-възрастния мъжки шампион, но и най-възрастния индивидуален шампион в историята на олимпийското плуване, преминавайки рекордите, поставени от херцога Каханамоку през 1920 г. и Инге де Брюин през 1920 г.
2004 г. съответно. Фелпс също така става първият плувец, който печели индивидуални златни медали с 12 години разлика. И двата рекорда са счупени от Антъни Ервин три дни по-късно.