Występy na zawodach W 1946 roku uczestniczył w zawodach państw alianckich w Berlinie. Na zawody dotarł rowerem, którym jechał z Pragi. W tym samym roku wystąpił na Mistrzostwach Europy 1946 w Oslo, gdzie zajął 5. miejsce w biegu na 5000 metrów, poprawiając swój własny rekord Czechosłowacji o prawie 25 sekund (z 14:50,2 na 14:25,8).
Pojechał na igrzyska olimpijskie w 1948 roku, licząc na sukces w biegu na 5000 metrów i na 10 000 metrów. 30 lipca po raz pierwszy uczestniczył w biegu na 10 000 metrów na dużej międzynarodowej imprezie. Faworytem był Fin Viljo Heino, ówczesny mistrz Europy i rekordzista świata. Od początku wyścigu prowadził Fin, jednak Czech przejął prowadzenie na trzecim kilometrze. Heino ponownie liderował, jednak na krótko. Zátopek powrócił na pierwsze miejsce, którego nie oddał do mety. Z wynikiem 29:59,8 pobił rekord olimpijski i jako pierwszy zawodnik przebiegł na igrzyskach olimpijskich ten dystans poniżej 30 minut. Alain Mimoun, który ukończył ten bieg na drugiej pozycji, przybiegł ze stratą niemal 48 sekund do zwycięzcy. Przed biegiem Zátopek ustalił ze swoim trenerem, że jeśli każde okrążenie będzie pokonywał w czasie poniżej 71 sekund (tempo rekordu świata), trener będzie mu pokazywać białą koszulkę. Gdyby trener pokazał czerwoną koszulkę, byłby to dla Zátopka znak, że biegnie za wolno.