Viết tiếp cho đoạn này - Adlington đại diện cho Vương quốc Anh tại Thế vận hội Mùa hè 2008, thi đấu trong các sự kiện tự do 400 mét và 800 mét. Cô cũng được lên kế hoạch để bơi trong 4 × 200 mét phong cách tự do tiếp sức
nhưng đã nghỉ ngơi trong nhiệt và đội không đủ điều kiện cho trận chung kết. Trong cuộc thi 400 mét tự do, cô đã phá vỡ kỷ lục Khối thịnh vượng chung với thời gian 4:02.24. Vào ngày 11 tháng 8 năm 2008, cô đã giành huy chương vàng Olympic trong cùng một sự kiện, với thời gian 4:03.22, vượt qua Katie Hoff của Hoa Kỳ trong 20 mét cuối cùng. Cô là người phụ nữ đầu tiên giành huy chương bơi vàng cho Vương quốc Anh kể từ khi Anita Lonsbrough vào năm 1960. Cô là vận động viên bơi lội người Anh đầu tiên giành được nhiều hơn một huy chương vàng tại một Thế vận hội Olympic kể từ khi Henry Taylor giành được ba huy chương vào năm 1908.