Participó en cinco Juegos Olímpicos de Verano, obteniendo dos medallas, plata en Atenas 2004 y oro en Pekín 2008, ambas en la prueba de 200 m libre, el quinto lugar en Londres 2012 (200 m libre y 400 m libre), el cuarto en Río de Janeiro 2016 (200 m libre) y el séptimo en Tokio 2020 (200 m libre).[1]
Ganó once medallas en el Campeonato Mundial de Natación entre los años 2005 y 2019, y ocho medallas en el Campeonato Mundial de Natación en Piscina Corta entre los años 2006 y 2018.[2]
Además, obtuvo veinte medallas en el Campeonato Europeo de Natación entre los años 2008 y 2021, y dieciséis medallas en el Campeonato Europeo de Natación en Piscina Corta entre los años 2005 y 2019.[2]
Desde 2009 posee el récord mundial en piscina larga de los 200 m libre (1:52,98). Fue la portadora de la bandera de Italia en la ceremonia de apertura de los Juegos Olímpicos de Río de Janeiro 2016.[1]
Fue la abanderada de Italia en la ceremonia de apertura de los Juegos de Río de Janeiro 2016.[1] En diciembre de 2021 decidió retirarse de la competición, después de 18 años de carrera internacional.[3]
En 2021 fue elegida miembro del Comité Olímpico Internacional[1] y nombrada gran oficial de la Orden al Mérito de la República Italiana.[4]
Participó en algunos programas de televisión. Entre 2019 y 2022 fue jurado del concurso de Sky Italia Italia's Got Talent, versión italiana del programa Got Talent.[5] En 2023 participó en Pechino Express, versión italiana del programa Pekín Express.[6] En 2024 participó en el concurso de la Rai 1 Ballando con le stelle, donde finalizó en segunda posición.[7]
Medallista olímpica 
Italia
