Ở nội dung 200m tự do nữ, Titmus phải cạnh tranh với nhà vô địch Rio 2016 Ledecky và người giữ kỷ lục thế giới Federica Pellegrini. Ledecky đứng đầu vòng loại, còn Titmus nhanh nhất ở bán kết.

Trong phần thi chung kết sáng 28/7, Titmus chỉ mất 1 phút 53,50 giây để cán đích đầu tiên, lập kỷ lục Olympic. Kình ngư Hong Kong Siobhan Haughey cũng bất ngờ đoạt HC bạc với 1 phút 53,92 giây, còn Penny Oleksiak đem về HC đồng cho Canada sau 1 phút 54,70 giây. Ledecky về thứ năm, sau Titmus gần hai giây, còn Pellegrini chậm hơn nhà vô địch hơn hai giây.

Hôm 26/7, Titmus cũng soán ngôi Ledecky ở nội dung 400m tự do. Ledecky dẫn đầu trong phần lớn chặng đường, nhưng bị Titmus vượt lên trong khoảng 50m cuối.

Tại Rio 2016, Ledecky trở thành hiện tượng với bốn HC vàng ở tuổi 19. Trong đó, kình ngư Mỹ đoạt ba HC vàng cá nhân, đều ở bơi tự do 200m, 400m và 800m. Đến Olympic 2020, Titmus đã soán ngôi Ledecky hai nội dung đầu tiên. Hai kình ngư này sẽ tiếp tục tranh tài ở nội dung 800m tự do – nơi Nguyễn Thị Ánh Viên cũng thi đấu.