Il est le sportif le plus médaillé de l'histoire olympique, tous sports confondus, avec 28 médailles (23 d'or dont 16 à titre individuel, 3 d'argent et 2 de bronze) dont 8 médailles remportées dans une édition (en 2008) et cinq en or dans une même édition (en 2008, un record qu'il partage avec le gymnaste Vitali Sherbo (en 1992). Le ''Kid de Baltimore" est une légende vivante et le plus grand nageur de l'histoire avec douze titres olympiques et quatorze titres mondiaux à titre individuel. Un palmarès incomparable pour un athlète unique et hors normes (1m93 pour 84 kg ; une envergure de bras de 2m04 et 49 de pointure) avec 83 médailles collectionnées en douze ans de carrière aux Jeux Olympiques, championnats du monde ou Jeux Pan-Pacific (66 d'or, 14 d'argent et 3 de bronze). Il a marqué l'histoire des Jeux Olympiques après avoir remporté 23 médailles d'or (six en 2004, un record de huit en 2008, quatre en 2012 et cinq en 2016). Il est le sportif, tous sports et hommes/femmes confondus, le plus médaillé dans l'histoire des Jeux Olympiques d'été, avec 28 médailles en cinq éditions entre 2000 et 2016. En 2012 à Londres, il a battu l'ancien record (18 médailles) détenu par la gymnaste russe Larissa Latynina. Il est désormais le plus grand nageur de l'histoire avec ses 28 médailles olympiques et 33 médailles mondiales (26 d'or dont 15 à titre individuel, 6 d'argent et 1 de bronze). Il s'est fait connaître lors des Jeux Olympiques de Sydney en 2000 où, à seulement quinze ans, il a été le plus jeune sélectionné américain de l'histoire, et ensuite fin mars 2001 après avoir battu le record du monde du 200 m papillon  (en 1'54"92), toujours à 15 ans (devenant ainsi le plus jeune recordman du monde de l'histoire ) ! 23 fois champion olympique (16 fois à titre individuel) : du 200 m en 2008 (3me e, 2004) ; du 100 m papillon en 2004, 2008 et 2012 (2eme en 2016) ; du 200 m papillon en 2004, 2008 et 2016 (2eme en 2012) ; du 200 m 4 nages en 2004, 2008, 2012 et 2016 ; du 400 m 4 nages en 2004 et 2008 ; du 4 x 100 m en 2008 et 2016 (2eme en 2012, 3eme en 2004) ; du 4 x 200 m et du 4 x 200 m 4 nages en 2004, 2008, 2012 et 2016. Il avait notamment battu sept records du monde sur huit courses lors des Jeux de 2008. En remportant huit titres olympiques en 2008, il réussit l'exploit de battre un des plus fabuleux records des Jeux Olympiques, celui de son compatriote Mark Spitz qui avait remporté sept médailles d'or aux Jeux Olympiques de Munich, en 1972. Il est le seul nageur masculin de l'histoire à avoir remporté quatre fois de suite une même épreuve individuelle : le 200 m 4 nages (2004, 2008, 2012 et 2016) et trois fois de suite le 100 m papillon, en 2004, 2008 et 2012. Lors des Jeux de Rio en 2016, il est également devenu le premier nageur à remporter quatre médailles olympiques dans une même épreuve : trois titres (2004, 2008, 2016) et une médaille d'argent (2012) sur le 200 m papillon.

Il détient également un record de vingt-six titres de champion du monde dont sept obtenus en 2007, un record pour une même édition, en battant 5 records planétaires : sur 200 m, 200 m papillon, 200 et 400 m 4 nages, relais 4 x 200 m. Quinze fois champion du monde à titre individuel, recrd chez les hommes (200 m en 2005 et 2007 ; 100 m papillon en 2007, 2009 et 2011 ; 200 m papillon en 2001, 2003, 2007, 2009 et 2011 ;  200 m 4 nages en 2003, 2005 et 2007 ; 400 m 4 nages en 2003 et 2007) et onze fois en relais (4 x 100 m en 2005, 2007 et 2009; 4 x 200 m en 2005, 2007, 2009 et 2011; 4 x 100 m 4 nages en 2003, 2005, 2009 et 2011). Il gagna six autres médailles d'argent (100 m papillon en 2003 et 2005; 200 m libre en 2009 et 2011 ; 200 m 4 nages en 2011 et 4 x 200 m en 2003) et une de bronze (relais 4 x 100 m en 2011). Pour la première fois depuis longtemps, il a montré des signes de faiblesse en juillet 2009 après avoir été battu sur 200 m par l'Allemand Paul Biedermann aux championnats du monde. Deux jours après, il s'est rattrapé en remportant le 200 m papillon avec une vieille combinaison en pulvérisant le record du monde en 1'51"51. Auteur de 29 records du monde individuels en grand bassin entre 2001 à 2009 dans cinq disciplines différentes (2 sur 200 m, 3 sur 100 m papillon, 8 sur 200 m papillon, 8 sur 200 m 4 nages et 8 sur 400 m 4 nages), il a également établi 8 records mondiaux avec les relais. Plus de 60 fois champion des Etats-Unis (record de Tracy Caulkins battu). Elu sept fois nageur de l'année par Swimming Magazine, en 2003, 2004, 2006, 2007, 2008, 2009 et 2012 ; neuf fois élu "Nageur Américain de l'année" (2001 à 2004 et 2006 à 2009 puis 2012) et  élu "Meilleur sportif de l'année 2008" par le célèbre magazine Sports Illustrated. Il a débuté la saison 2011 avec cinq meilleures performances mondiales de l'année réalisées lors du Grand prix d'Indianapolis en mars 2011. Le 4 août 2012, il a effectué la dernière course de son immense carrière, le relais 4 x 100 m 4 nages en remportant sa 18eme médaille d'or olympique et le troisième titre de suite sur cette distance après 2004 et 2008. Absent des bassins pendant presque deux ans, il a fait son grand retour en avril 2014 pour participer aux Jeux Olympiques 2016 de Rio, ses 5eme Olympiades, une première pour un nageur américain. Fin 2015, il a remporté son 63eme titre national en s'imposant tout d'abord sur le 100 m papillon puis sur le 200 m 4 nages et 200 m papillon. Il était le porte-drapeau américain lors de la cérémonie d'ouverture des Jeux de Rio en 2016 pendant lesquels il clôturait sa fabuleuse carrière en remportant cinq titres et une médaille d'argent.

  
 
Les sept records du monde qu'il a établis aux Jeux Olympiques de Pékin entre le 10 et le 17 août 2008  :
- 200 m libre en 1:42.96
- 200 m papillon en 1mn52"03
- 200 m 4 nages en 1mn54"23
- 400 m 4 nages en 4mn03"84
- Relais 4 x 100 m en 3mn08"24
- Relais 4 x 200 m en 6mn58"56
- Relais 4 x 100 m en 3mn29"34

 Ses trente-sept records du monde (il n'a jamais porté la combinaison tout polyuréthane)