Al año siguiente fichó por el CN Sabadell y siguió entrenando en el CAR, pero esta vez con Carles Subirana como guía. Aquella temporada llegaron los primeros éxitos internacionales en categoría absoluta, la deportista española ganó medalla de plata en los 400m estilos en el Campeonato Europeo de Natación en Piscina Corta, celebrado en Hungría.
En los Juegos de Pekín 2008, Mireia se convirtió en nadadora olímpica con solo 17 años. Compitió en las pruebas de 200m braza, y 200 y 400m estilos, además de formar parte del equipo de relevo de los 4x100m estilos. A pesar de no haber ganado medalla olímpica, Mireia consiguió el récord para España, lo que supuso todo un orgullo para su nación.
A final de año, en el Campeonato de Europa en Piscina Corta, Belmonte se proclamó nuevamente Campeona de Europa, esta vez en 400m estilos, logrando así su primer récord del mundo y batiendo a la estadounidense Julia Smith.
En 2009, la catalana pasó a entrenarse con Michael Piper y un año después, durante el Mundial de Piscina Corta en Dubái, Mireia alcanzó unos resultados espectaculares. Subió al podio en 4 ocasiones; tres veces como campeona (200m mariposa, 200m estilos y 400m estilos) y una como segundo lugar al colgarse la plata en los 800m libres. Mireia se marchó de Dubái como la mejor nadadora del Campeonato.
En el año 2011, la nadadora comenzó a entrenarse con el francés Fred Vergnoux, en las piscinas del CN Sabadell. Ese año, consiguió la mejor marca mundial del año en 400m estilos y obtuvo récord para su España en los 200m mariposa. También participó en el Mundial de Shanghái, aunque su mejor resultado fue un 4º puesto en los 400m estilos.
Al año siguiente, una Mireia más preparada llegó a los Juegos Olímpicos de Londres 2012. En su segunda asistencia a Olímpicos, Belmonte ganó dos medallas de plata, una en los 200m mariposa y otra en los 800m libres, mostrando su valía como atleta de élite internacional.
En 2013, entró a la Universidad Católica San Antonio de Murcia (UCAM), donde además de entrenar, logró obtener un grado universitario.
Este año fue especial para la catalana, ya que el Mundial de Natación se celebró en su provincia, Barcelona. Mireia compitió en seis pruebas, y ganó en 3 de ellas; obtuvo bronce en los 200m estilos y plata tanto en los 200m como en los 400m de mariposa.
En el 2014 En diciembre de 2014, en el “Campeonato Mundial de Natación en Piscina Corta” de Doha, ganó el oro en 200m mariposa y en 400m estilos. Además, logró sendos récords mundiales con rebajas sustanciales de las marcas, convirtiéndose en la primera nadadora del mundo en bajar de los 2 minutos en los 200 m mariposa.
Una lesión en el hombro en el año 2015 le hizo perderse la cita del Mundial de Rusia, con el fin de rehabilitarse y asegurar su participación en su tercera edición de Juegos Olímpicos.
En agosto de 2016, Mireia Belmonte hizo historia en la final de los 200m mariposa al ganar por media brazada a la australiana y proclamarse campeona olímpica. Primera medalla de oro olímpico para una nadadora española. Durante los Juegos Olímpicos de Rio 2016, Mireia también ganó medalla de bronce en 400m estilos.
Tras el sueño olímpico, Mireia se proclamó campeona del mundo en 2017 al ganar la final de 200m mariposa en Mundial de Natación celebrado en Budapest. A su gran victoria le sumó dos medallas de plata, una en los 1.500m libre y otra en los 400m estilos.
Mireia Belmonte fue elegida junto a Saul Craviotto como abanderada de la delegación española para los Juegos Olímpicos de Tokio 2020. La nadadora clasificó a la final de los 400m estilos, prueba en la que fue bronce en Rio 2016. Esta vez, Belmonte no pudo subir al podio tras finalizar la prueba en la cuarta posición, aunque sí logró diploma olímpico.
