仅用了2年的时间，叶诗文就成为中国第一个横跨长池和短池游泳比赛，获得亚运会、短池世界游泳锦标赛、长池世界游泳锦标赛、奥运会四大顶级赛事的全满贯游泳运动员。
　　2012年7月，叶诗文代表中国出战英国伦敦举行的第30届奥林匹克运动会游泳比赛女子200米及女子400米个人混合泳两个项目。
　　北京时间2012年7月29日凌晨，第一次参加奥运会年仅16岁的叶诗文在女子400米混合泳决赛中，再次让世人见识了她最后100米冲刺的惊人爆发力，完成震惊世界的超级大逆转，以4分28秒43的成绩打破世界纪录夺得金牌，这是中国代表团在伦敦奥运会的第四金。
　　除了打破奥运会纪录兼世界纪录，叶诗文是在奥运会的游泳历史上第一位冲刺时间超过同项目男选手的女选手。奥运会上叶诗文最后100米自由泳用时58秒68，最后50米冲刺时间28秒93。而在当天的男子400米混合泳比赛中，金牌得主美国名将瑞安·罗切特最后100米自由泳耗时58秒65，仅比叶诗文快了0.03秒，最后50米冲刺用时29秒10，比叶诗文慢了0.17秒，叶诗文的出色表现，引起世界媒体及国际泳坛的广泛关注，被西方媒体评选为本届奥运会“十大最令人惊讶选手”第一位及本届“十大奥运新星之一”。
　　夺得奥运冠军后，16岁的叶诗文完成了省运会、城运会、亚运会、世锦赛、奥运会一系列混合泳冠军头衔，成为“大满贯”。她也成为奥运会女子400米个人混合泳首位来自亚洲的冠军，女子400米混合泳史上最年轻冠军。
　　2010年5月国际泳联宣布禁用高科技泳衣，令鲨鱼衣成为历史。其后只有美国的瑞安·罗切特（男子200混合泳）和中国的孙杨（男子1500自由泳）破世界纪录，叶诗文则是后鲨鱼衣年代刷新世界纪录第一位女泳手（女子400混合泳）。
　　北京时间2012年8月1日凌晨，伦敦奥运会女子200米个人混合泳决赛上演，叶诗文在此前预赛和半决赛中的成绩都排名第一，半决赛更是以2分08秒39创造了新的奥运会纪录。进入决赛后，最后50米自由泳是叶诗文的强项，她充分发挥了自己的优势，先后超越了库克尔斯、艾莉西亚·考特、勒维德兹成为领先者，最终她保持优势以2分07秒57率先触壁，拿到本届奥运会上个人的第二枚金牌，这一成绩也再度改写奥运会纪录。叶诗文因此成为中国游泳队第一位在单届奥运会夺得两枚金牌的选手，16岁的年龄也成为奥运会历史上女子混合泳比赛以来单届获得两项冠军的最年轻选手。