Po trzech latach trenowania w Szkole Mistrzostwa Sportowego odeszła z klubu i wyjechała do Hanoweru, gdzie rozpoczęła treningi pod okiem Petera Fischera. W 2001 na mistrzostwach świata w Fukuoce zdobyła srebrny medal na dystansie 100 m stylem motylkowym. Powróciwszy na stałe do Polski, dołączyła do klubu AZS-AWF Warszawa, a jej trenerem został Paweł Słomiński. 4 sierpnia 2002 na mistrzostwach Europy w Berlinie czasem 2:05,78 pobiła rekord świata na 200 m stylem motylkowym. Zajęła drugie miejsce w plebiscycie „Przeglądu Sportowego” na sportowca roku.
W lipcu 2003 została mistrzynią świata na dystansie 200 m stylem motylkowym, uzyskując czas 2:07,56, a także zdobyła srebrny medal w tej konkurencji na 100 m. Za te dokonania drugi rok z rzędu zajęła drugie miejsce w plebiscycie „Przeglądu Sportowego” na sportowca roku.
W 2004 na igrzyskach olimpijskich w Atenach zdobyła złoty medal na dystansie 200 m stylem motylkowym. Wywalczyła także dwa srebrne medale w konkurencjach 100 m stylem motylkowym i 400 m stylem dowolnym. Złoty medal przekazała na aukcję charytatywną, a uzyskaną kwotę 257 550 zł przekazała Klinice Transplantacji Szpiku, Onkologii i Hematologii Dziecięcej we Wrocławiu.