L’or trois fois, l’argent deux fois
Dans le 400m nage libre, il s'adjugea l'or, battant à cette occasion son propre record du monde. Une heure après ce triomphe, il participait au relais 4x100m nage libre avec l'équipe australienne. Dernier relayeur à prendre le départ, il s'élança avec un léger retard sur l'Américain Gary Hall Jr, qu'il devança néanmoins sur le fil. Deux jours plus tard, l'Australien finissait deuxième du 200m nage libre derrière Pieter van den Hoogenband. Il effectua ensuite le premier relais du 4x200m nage libre, que l'Australie remporta, établissant à cette occasion un nouveau record du monde. Ian Thorpe décrocha une cinquième médaille - d'argent cette fois - dans le relais 4x100m quatre nages, qu'il disputa au niveau des éliminatoires.
Le nageur australien le plus titré
Aux Jeux Olympiques d’Athènes en 2004, Thorpe ajoute quatre médailles à son palmarès : une d'or au 200m nage libre avec un nouveau record olympique de 1'44"71, une autre d'or au 400m nage libre, puis une d'argent au 4x200m nage libre et une de bronze au 100m nage libre. Il termine également 6ème du relais 4x100m libre. Sa victoire au 200m, "LA" course des Jeux, devant l'Américain Michael Phelps et le Néerlandais Pieter van den Hoogenband, est une revanche sur sa défaite surprise contre van den Hoogenband en 2000 à Sydney devant son public. A 22 ans, Thorpe est le nageur australien est le plus titré de l'histoire.