Surnommé 'La Divina', elle est la "Prima Donna" de la nage libre sur 200 m (un titre olympique, 4 titres mondiaux, 4 titres européens, 1 titre mondial en petit bassin et 5 titres européens en petit bassin) et 400 m (2 titres mondiaux et 1 titre européen) qui a récolté 22 médailles d'or internationales entre 2004 et 2021. Elle est l'une des plus grandes sportives italiennes de l'histoire après avoir été pendant longtemps l'une des principales adversaires de Laure Manaudou . Elle est aussi la seule Italienne à avoir établi des records du monde dans plus d'une distance. En remportant le 200 m aux Jeux Olympiques de 2008, elle est devenue la toute première championne olympique italienne de natation (médaillée d'argent sur cette distance en 2004 à seulement seize ans, un record pour une athlète italienne ; 4eme du relais 4 x 200 m en 2008, du 200 m en 2016 et du relais 4 x 100 m 4 nages mixte en 2021). Six fois championne du monde : du 200 m en 1'52"98 (première nageuse sous la barre des 1'53"00) et du 400 m en 2009 en 3'59"15 (première nageuse sous les 4 minutes !). Elle conserve ses deux titres en 2011, un doublé rare ! De nouveau championne du monde du 200 m en 2017, neuf ans après son titre olympique, en devançant les favorites Katie Ledecky et Katinka Hosszu , et en 2019. Signe d'une longévité exemplaire, elle est la seule nageuse, hommes et femmes confondus, à avoir été médaillée mondiale 8 fois consécutivement sur une même distance (sur 200 m de 2005 à 2019). Vice-championne du monde du 200 m en 2005, 2013 et 2015 (3eme en 2007) et du 4 x 200 m en 2015 (4eme avec le relais 4 x 100 m 4 nages en 2019).

Sept fois championne d'Europe pour un total de 20 médailles (6 autres médailles d'argent et 7 de bronze). Championne d'Europe du 400 m en 2008 en battant le record du monde en 4'01"53, du 200 m en 2010, 2012, 2014 et 2016, et du relais 4 x 200 m en 2012 et 2014 (2eme du 200 m en 2021, du relais 4 x 100 m en 2008 et 2016, du relais 4 x 100 m mixte et du relais 4 x 100 m 4 nages mixte en 2016, du relais 4 x 200 m mixte en 2021 ; 3eme du 800 m en 2010, des relais 4 x 200 m en 2008 et 2021, 4 x 100 m en 2012 et 2014, 4 x 100 m 4 nages en 2021, 4 x 100 m mixte en 2021).

Championne du monde du 200 m en petit bassin en 2016 (2eme en 2006 ; 2eme avec le relais 4 x 100 m en 2016, 3eme en 2014 ; 3eme sur 400 m en 2006 et 2010 et des relais 4 x 50 m en 2016 et 4 x 100 m 4 nages en 2018). Championne d'Europe en petit bassin du 200 m en 2005, 2008, 2009 et 2015 et du 800 m en 2010. Elle a battu dix records du monde dans sa carrière cela à seulement vingt ans. Recordwoman du monde du 200 m pendant quelques jours en mars 2007 en 1'56"47 (battu par Laure Manaudou en 1'55"52) et depuis août 2008 en réalisant 1'55"45 puis 1'54"82 lors de la finale olympique en 2008. En mars 2009, elle l'améliore une troisième fois avec un temps de 1'54"47 puis réalise 1'53"67 et 1'52"98 en juillet 2009. Elle détient aussi la meilleure marque mondiale du 200 m en petit bassin depuis décembre 2008 en 1'51"85. Elle a été élue nageuse de l'année par Swimming World Magazine et nageuse européenne de l'année en 2009. Elle fut la porte-drapeau pour son pays aux Jeux Olympiques de Rio en 2016. Le 30 novembre 2021 après une carrire de 20 ans, elle a disputé à Riccione en Italie la dernière course de sa longue carrière en remportant le 200 m aux championnats italiens en petit bassin en 1mn54s95.