Fece parte della nazionale italiana ai Giochi della XXVIII Olimpiade di Atene nel 2004, manifestazione nella quale riuscì a conquistare la medaglia d'argento nei 200 m stile libero. Divenne così, a soli 16 anni e dodici giorni, la più giovane atleta italiana di sempre a salire su un podio olimpico individuale, riportando i colori azzurri al successo 32 anni dopo l'exploit di Novella Calligaris.
Nel 2008, in occasione dei Giochi della XXIX Olimpiade di Pechino, vinse la medaglia d'oro nei 200 m stile libero, stabilendo il quarto record del mondo della propria carriera. All'età di 20 anni, fu la prima nuotatrice italiana in grado di conquistare la medaglia d'oro olimpica.
Ai Campionati del mondo vinse quattro titoli iridati, diventando così la prima e unica donna in grado di vincere consecutivamente l'oro sia nei 200 m che nei 400 m stile libero in due edizioni diverse dei Campionati. In questa manifestazione è l'atleta più vincente nei 200 m, grazie ai due ori, tre argenti e un bronzo conquistati in sei diverse edizioni. A partire dai mondiali di Montreal del 2005, infatti, è sempre salita sul podio in questa specialità.
La rivista Swimming World Magazine la elesse "Nuotatrice dell'anno" nel 2009 e "Nuotatrice europea dell'anno" nel 2009, 2010 e 2011. Inoltre, per i successi ottenuti ai Giochi Olimpici, le vennero conferiti il titoli di "Ufficiale e Commendatore dell'Ordine al merito della Repubblica Italiana", rispettivamente nel 2004 e nel 2008.