펠프스는 14일(한국시간) 브라질 리우데자네이루 아쿠아틱 스타디움에서 열린 2016년 리우 올림픽 남자 400m 혼계영 결승에서 라이언 머피, 코디 밀러, 네이선 애드리안과 호흡을 맞춰 3분27초95 올림픽 신기록으로 금메달을 목에 걸었다.
800m 계영과 400m 계영, 200m 혼영, 200m 접영 금메달에 이은 리우 올림픽 5관왕이다. 또 올림픽 통산 23번째 금메달. 100m 접영 은메달을 포함해 올림픽 통산 28번째 메달(금메달 23개, 은메달 3개, 동메달 2개)이다.
펠프스의 올림픽 마지막 역영이었다.
미국은 강력한 우승 후보였다. 첫 배영 영자로 100m 배영 챔피언인 머피가 나섰고, 두 번째 평영 영자로는 100m 평영 동메달리스트 밀러가 출전했다. 그리고 펠프스는 세 번째 접영 영자로 이름을 올렸고, 마지막 자유형 영자로는 100m 자유형 동메달을 딴 애드리안이 출전했다.
머피는 예상대로 51초58의 기록으로 가장 먼저 터치패드를 찍었다.
하지만 밀러가 100m 평영에서 연거푸 세계신기록을 깨고 금메달을 목에 건 애덤 피티에게 밀렸다.
결국 펠프스가 해냈다. 세 번째 접영 영자로 나선 펠프스는 먼저 출발한 제임스 가이를 바짝 추격했다. 그리고 250m 지점을 돌아서면서 특유의 잠영으로 가이를 따돌렸다. 마지막 영자 애드리안이 격차를 더 벌리면서 펠프스의 통산 23번째 올림픽 금메달이 확정됐다.