Nell'estate del 2004 il nuoto azzurro si gode il bronzo della 4X200 alle Olimpiadi di Atene ma, a differenza di quanto accaduto a Sydney 2000, non riesce a trovare il successo o il piazzamento individuale. Non ci riescono gli uomini, in un'edizione olimpica cannibalizzata dai fenomeni Ian Thorpe e Michael Phelps, non sembrano farcela neanche le donne, che mancano una medaglia dai tempi di Novella Calligaris.

Il 16 agosto, all'Athens Olympic Aquatic Centre, ecco invece l'exploit che non ti aspetti. Nelle semifinali dei 200 stile libero femminili il miglior tempo complessivo è di una neosedicenne veneta, Federica Pellegrini, che si qualifica come prima per la gara del giorno dopo. Fa meglio della favorita francese Solenne Figues, della statunitense Dana Vollmer e della grande nuotatrice tedesca Franziska van Almsick, detentrice del record del mondo. Ventiquattro ore più tardi, questa ragazzina proveniente da Mirano mostra un talento fuori dal comune, controllando la Figues e conducendo una gara in progressione, elemento che sarebbe divenuto il suo marchio di fabbrica nella distanza. Le sfugge però nella parte alta della vasca la romena Camelia Potec, che sfrutta il settimo tempo d'ingresso per fare gara a sè e prendersi un oro del tutto inatteso. Federica è d'argento, beffata da un'outsider, un po' come lei, ma con prospettive estremamente diverse. Sul podio si intravedono i successi futuri della Pellegrini, che forse rimpiange un oro possibile ma che intanto conquista un'attenzione mediatica senza precedenti per il nuoto italiano. Negli anni a venire la "Divina" - così ribattezzata per la classe inarrivabile che la contraddistingue - diventerà la sportiva azzurra più seguita e tifata, contribuendo a una crescita globale di tutto il movimento natatorio nazionale, in particolar modo di quello femminile.

Nel quadriennio successivo la Pellegrini deve affrontare le difficoltà della crescita tecnica e mentale, il passaggio dall'adolescenza all'età adulta, e non mancano momenti critici, evidenziati dai risultati deludenti dei mondiali di Montreal 2005 e degli Europei di Budapest 2006. Cambia allenatore, da Max di Mito ad Alberto Castagnetti, e comincia a cimentarsi anche nei 400 stile libero, distanza sulla quale otterrà successi clamorosi ma anche sconfitte che la segneranno a lungo. Intanto cresce la rivalità con un'altra francese, Laure Manaudou, con la quale si scambierà record del mondo e frecciate a mezzo stampa. A vent'anni appena compiuti, la Pellegrini è pronta per un'Olimpiade da protagonista, quella di Pechino 2008, in cui si presenta tra le grandi favorite anche nei 400. In semifinale fa segnare il record olimpico, ma il giorno dopo, lunedì 11 agosto, non riesce a ripetersi, alzando il proprio tempo di due secondi rispetto a quello di ventiquattro ore prima. Finisce addirittura quinta e giù dal podio, alle spalle dell'inglese Rebecca Adlington, della statunitense Hoff, dell'altra britannica Jackson e della francese Balmy, ma davanti, ironia della sorte, proprio alla Potec (la Manaudou è ottava). Subissata da critiche e malignità sulla sua tenuta mentale, Federica si tuffa - è il caso di dirlo - nella "sua" gara, i 200 s.l., dove intanto ha già fatto segnare il record del mondo in batteria, strappandolo alla slovena Sara Isakovic. In finale la lotta con la Isakovic è furiosa, ma a spuntarla è una Divina mai così rabbiosa, che ritocca il primato mondiale e si prende un oro meritatissimo, probabilmente all'apice della forma della sua irripetibile carriera. 

Gli anni successivi sono ancora targati Pellegrini, che allunga il suo dominio sul nuoto femminile, dando spettacolo ai Mondiali di casa, a Roma, dove conquista due medaglie d'oro con altrettanti record del mondo nella doppia distanza, ripetendosi a Shanghai nel 2011.

All'Aquatic Center di Londra, alle Olimpiadi del 2012, fallisce però entrambe le gare, dopo aver come al solito fatto incetta di medaglie agli Europei di Debrecen. Per molti è l'ultima tappa dell'avventura olimpica di Federica, che però decide di non ritirarsi, ma di darsi nuovi stimoli, dedicandosi anche ad altre discipline, come i 200 dorso, e abbondonando i 400 s.l. Non cambia però la sua incredibile serie di vittorie europee nei 200, distanza in cui trionfa a Berlino 2014 e Londra 2016, agguantando anche due argenti iridati a Barcellona 2013 e a Kazan 2015, tutti eventi di avvicinamento alle Olimpiadi di Rio de Janeiro, dove rappresenterà l'Italia anche come portabandiera nella cerimonia d'apertura.