Adlington esindas Suurbritanniat 2008. aasta suveolümpiamängudel, võisteldes 400- ja 800-meetrise vabasõidu võistlustel. Ta oli ka plaanis ujuda 4 × 200 meetri vabas stiilis reljees.
aga puhkus kuumuses ja meeskond ei kvalifitseerunud finaali. 400-meetrise vabastiili võistlusel lõi ta Rahvaste Ühenduse rekordi ajaga 4:02.24. 11. augustil 2008 võitis ta olümpiamedaali samasse võistlusesse ajaga 4:03.22, ületades Ameerika Ühendriikide Katie Hoffi viimasel 20 meetril. Ta oli esimene naine, kes võitis Suurbritannia ujumiskulla pärast Anita Lonsbrough'i 1960. aastal. Ta oli esimene Briti ujuja, kes võitis rohkem kui ühe kuldmedali ühes olümpiamängudes, sest Henry Taylor võitis kolm 1908. aastal.