W finale Titmus czasem 3:58,76 ustanowiła także nowy rekord Australii i Oceanii.
Podczas igrzysk olimpijskich w Tokio w 2021 roku zwyciężyła w konkurencji 400 m stylem dowolnym i czasem 3:56,69 poprawiła rekord Australii i Oceanii. Dwa dni później zdobyła złoty medal na dwukrotnie krótszym dystansie i czasem 1:53,50 ustanowiła nowy rekord olimpijski. W konkurencji 800 m stylem dowolnym wywalczyła srebro i ustanowiła nowy rekord Australii i Oceanii (8:13,83). Zdobyła także brąz w sztafecie 4 × 200 m stylem dowolnym, gdzie Australijki poprawiły rekord kontynentu.
W 2024 roku na igrzyskach olimpijskich w Paryżu jako pierwsza zawodniczka od 1928 roku obroniła tytuł mistrzyni olimpijskiej na dystansie 400 m stylem dowolnym. Titmus zwyciężyła z czasem 3:57,49. W konkurencji 200 m stylem dowolnym zdobyła srebrny medal (1:53,81).
Titmus zakończyła karierę sportową w październiku 2025 r.