W finałach na przyrządach wygrała złoto w skoku (14,299), brąz na poręczach (14,666) i złoto w ćwiczeniach wolnych (14,400).
Na Mistrzostwach Europy w Bazylei zakwalifikowała się na najwyższej pozycji w wieloboju indywidualnym oraz awansowała do finałów w skoku, na poręczach i w ćwiczeniach wolnych. Mimo upadków na poręczach i równoważni w finale wieloboju, Mielnikowa wygrała srebrny medal z wynikiem 55,432. W finałach na przyrządach wygrała złoto na poręczach (14,500), srebro w ćwiczeniach wolnych (13,900) i brąz w skoku (14,433).
Igrzyska Olimpijskie w Tokio Mielnikowa reprezentowała Rosję (jako Rosyjski Komitet Olimpijski) na XXXII Letnich Igrzyskach Olimpijskich w Tokio. Zakwalifikowała się do finałów wieloboju indywidualnego, skoku, poręczy i ćwiczeń wolnych oraz pomogła rosyjskiej kadrze w objęciu niespodziewanego pierwszego miejsca, pokonując tym samym Stany Zjednoczone. Mimo upadków Mielnikowej i Urazowej na równoważni w finale wieloboju drużynowego, Rosjanki zdobyły historyczne złoto z przewagą trzech punktów nad kadrą USA.