На Летните олимпийски игри през 2004 г. в Атина Трегубова отново се класира за
50 м свободен стил, засенчвайки FINA B-cut от 26.90 от Откритото шампионат на Русия в Москва. Плувайки в същата жега като Сидни, тя заема второ място над Аруба Рошендра Вролик с 0.03 секунди, извън времето си от 28.40. Трегубова не успява да премине в полуфиналите, тъй като се класира на четиридесет и осмо място сред 75 плувци в последния ден от предварителните.