2004年夏季奥林匹克运动会
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主条目：2004年夏季奥林匹克运动会游泳比赛
菲尔普斯卓越的比赛成绩，使媒体常常将他与在1972年夏季奥林匹克运动会上一人夺得七块游泳比赛金牌并33次刷新游泳比赛世界纪录的美国著名游泳运动员马克·斯皮茨进行比较，菲尔普斯在2004年雅典奥运会上有八个项目可以有机会打破马克·斯皮茨一届奥运会七块金牌的记录：200米自由泳、100米蝶泳、200米蝶泳、100米仰泳、200米仰泳、200米个人混合泳、400米个人混合泳、4x100米自由泳接力和4x100米混合泳接力。然而菲尔普斯在4x100米自由泳接力比赛和在个人项目200米自由泳比赛中只得到了两块铜牌，他没有能打破七金记录。虽然挑战失败了，但他也达到了只有前苏联体操运动员阿列克桑德·季佳京在莫斯科举办的1980年夏季奥林匹克运动会所达到的单届奥运会获得奖牌数的成绩。
迈克尔·菲尔普斯在2004年夏季奥林匹克运动会的比赛成绩
最终获得的奖牌数: 8枚（6金，2铜）
日期
项目
时间
名次
8月14日
400米个人混合泳
4:08.26 WR
第一名
8月15日
4 x 100米自由泳接力
3:14.62
第三名
8月16日
200米自由泳
1:45.32 AR
第三名
8月17日
200米蝶泳
1:54.04 OR
第一名
4 x 200米自由泳接力
7:07.33
第一名
8月19日
200米混合泳
1:57.14 OR
第一名
8月20日
100米蝶泳
0:51.25 OR
第一名
8月21日
4 x 100米混合泳接力
3:31.54* WR
第一名
WR: 世界纪录; OR: 奥运会记录; AR: 美国记录
* 菲尔普斯在预选赛而不是决赛中打破记录。
2004年8月14日，菲尔普斯400米个人混合泳项目中赢得了他的第一块奥运金牌并刷新了该项目的世界纪录（4分08秒26）。
在同年8月20日的100米蝶泳比赛中，菲尔普斯以0.04秒的微弱优势战胜美国队友伊恩·克罗克（Ian Crocker，现世界纪录保持者），并刷新了奥运会纪录。
2008年夏季奥林匹克运动会
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菲尔普斯在2008年北京奥运会上参加8个项目的比赛，分别是：
日期
项目
成绩
名次
纪录
8月10日
400米混合泳
4:03.84
第一名
世界纪录
8月11日
4×100米自由泳接力
3:08.24
第一名
世界纪录
8月12日
200米自由泳
1:42.96
第一名
世界纪录
8月13日
4×200米自由泳接力
6:58.56
第一名
世界纪录
8月13日
200米蝶泳
1:52.03
第一名
世界纪录
8月15日
200米混合泳
1:54.23
第一名
世界纪录
8月16日
100米蝶泳
50.58
第一名
奥运纪录
8月17日
4×100米混合接力泳
3:29.34
第一名
世界纪录
菲尔普斯在2008年8月9日的400米个人混合泳预赛中以4:07.82的成绩打破了奥运会记录，并于次日（2008年8月10日）的决赛中以4:03.84的成绩打破了该项目的世界纪录。
2008年北京奥运会400米混合泳比赛结果，菲尔普斯（中）得到金牌，其余两人为瑞安·洛赫特（左）和拉斯洛·切赫（右）
美国队（包括菲尔普斯在内）在2008年8月10日的4×100米自由泳接力预赛中以3:12.23的成绩打破了该项目的世界纪录。美国队（包括菲尔普斯在内）在2008年8月11日的4×100米自由泳接力决赛中以3:08.24的成绩打破世界纪录。菲尔普斯在2008年8月12日的200米自由泳决赛中以1:42.96打破自己保持的世界记录。美国队（包括菲尔普斯在内）在2008年8月13日的4x200公尺自由泳接力决赛中以6:58.56的成绩打破了该项目的世界纪录。
菲尔普斯在2008年8月16日的100米蝶泳决赛中以第七名完成首50米，最后以50秒58险胜第二名，塞尔维亚泳手米洛拉德·卡域0.01秒，破奥运会记录，并平马克·施皮茨的世界记录。美国队在2008年8月17日的男子4X100公尺混合泳决赛中以3分29秒34得到冠军，同时令菲尔普斯获获得个人第八面金牌，成为同一届奥运会获得金牌最多的运动员。
2012年夏季奥林匹克运动会
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菲尔普斯在2012年伦敦奥运会上参加7个项目的比赛，分别是：
日期
项目
成绩
名次
纪录
7月28日
400米混合泳
4:09.28
第四名
7月29日
4×100米自由泳接力
3:10.38
第二名
7月31日
4×200米自由泳接力
6:59.70
第一名
7月31日
200米蝶泳
1:53.01
第二名
8月2日
200米混合泳
1:54.27
第一名
8月3日
100米蝶泳
0:51.21
第一名
8月4日
4×100米混合接力泳
3:29.35
第一名
菲尔普斯在该届奥运会结束后宣布退役。在2年之后的2014年宣布复出。
2016年夏季奥林匹克运动会
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菲尔普斯在2016年里约奥运会上参加6个项目的比赛，分别是：
日期
项目
成绩
名次
纪录
注
7月7日
4×100米自由泳接力
3:09.92
第一名
7月9日
200米蝶泳
1:53.36
第一名
7月9日
4×200米自由泳接力
7:00.66
第一名
7月11日
200米混合泳
1:54.66
第一名
7月12日
100米蝶泳
51.14
第二名
与查德·勒克洛、切赫·拉斯洛并列
7月13日
4×100米混合接力泳
3:27.95
第一名
OR
菲尔普斯在该届奥运会结束后的2016年8月12日宣布再次退役。