В возрасте пятнадцати лет Майкл Фелпс был включен в олимпийскую команду США по плаванию на Играх в Сиднее (2000). Его лучшим результатом на этих соревнованиях стало пятое место на дистанции 200 м баттерфляем. В 2001 году пловец побил мировой рекорд на дистанции 200 м баттерфляем, став самым молодым рекордсменом мира. В 2002 году на этапе Кубка мира (Нью-Йорк) он выиграл три золотые медали (200 и 400 м комбинированным стилем, эстафета 4х100 м). Триумф ожидал Фелпса на чемпионате мира в Барселоне (2003), где пловец завоевал 4 золотых и 2 серебряных награды, установив 5 мировых рекордов, а затем на этапе Кубка мира в Мельбурне (6 высших наград).
На Олимпийских играх 2004 года в Афинах пловец завоевал шесть золотых наград (200 и 400 м комплексным стилем, 100 и 200 м баттерфляем, эстафеты 4х200 м вольным стилем и 4х100 м комплексом), установив мировой (400 м, комплексное плавание) и олимпийские (200 м, комплексное плавание; 100 м, баттерфляй) рекорды. Кроме того, он получил две бронзовые олимпийские награды. Участвуя на чемпионате мира (25-метровый бассейн) в Индианаполисе (2004), Майкл Фелпс выиграл золото на дистанции 200 м вольным стилем, но полученная на тренировке травма спины не позволила спортсмену продолжить состязания. В 2005 году на чемпионате мира в Монреале (2005) он побеждал в эстафете 4х100 и на дистанции 200 м вольным стилем. На чемпионате мира в Мельбурне в 2007 году пловец выиграл 7 золотых медалей, установив при этом 5 мировых рекордов.
На Олимпийских играх в Пекине (2008) Фелпс выиграл все заплывы, в которых стартовал, получил 8 золотых наград (эстафета 4х100 м, комплексное плавание; 400 м, комплексное плавание; эстафета 4х100 м, вольный стиль; 200 м, вольный стиль; 200 м, баттерфляй; эстафета 4х200 м, вольный стиль; 200 м, комплексное плавание; 100 м, баттерфляй), побив тем самым достижение Марка Спица на Олимпийских играх в Мюнхене (1972). В 2009 году на чемпионате мира в Риме спортсмен завоевал пять золотых медалей и одну серебряную медаль. В 2011 году на чемпионате мира в Шанхае он получил четыре золотых медали, две серебряных медали и одну бронзовую медаль.
Олимпийские игры в Лондоне (2012) стали четвертыми в его спортивной карьере. Майкл Фелпс завоевал золотые олимпийские медали в эстафете 4х200 м, на дистанциях 200 м комплексным плаванием, 100 м баттерфляем, в комбинированной эстафете 4х100 м, а также серебряные медали на дистанции 200 м баттерфляем, в эстафете 4х100 м вольным стилем. Он стал восемнадцатикратным олимпийским чемпионом, а всего завоевал двадцать две олимпийские награды различного достоинства.
Всего пловец установил 37 мировых рекордов, пятьдесят раз становился чемпионом США, неоднократно признавался лучшим пловцом года в мире и США. Наиболее силен Майкл Фелпс в комплексном плавании, в плавании вольным стилем и баттерфляем. После окончания Олимпийских игр в Лондоне пловец заявил об окончании спортивной карьеры.
Но в 2014 году Фелпс прошел отбор и был включен в олимпийскую команду США на Олимпийские игры в Рио в 2016 году. На олимпиаде в Рио он завоевал пять золотых и одну серебряную медаль. После Игр в Рио объявил об окончательном уходе из плавания.