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2012年7月，陈若琳代表中国出战英国伦敦举行的奥林匹克运动会跳水比赛女子10米跳台及双人10米跳台赛事。在率先进行的双人10米跳台赛事中，陈若琳与汪皓在五轮比赛后取得368.40分，以25.08分的优势压倒墨西哥组合轻松夺金。在其后进行的女子10米台决赛中，她又以422.30分成功夺冠，除了成为首位在奥运10米跳台跳水单人、双人项目均卫冕的运动员外，更成为中国代表团在奥运史上的第200枚金牌得主。 同时，凭借这两枚金牌，陈若琳也以四金追平名将伏明霞、郭晶晶和吴敏霞创下的纪录，成为中国跳水队获得奥运金牌最多的选手之一，更是其中获得跳台世界冠军最多的运动员。

2013年7月，陈若琳出战西班牙巴塞罗那举行的世界游泳锦标赛跳水比赛，在女子双人10米跳台比赛中与刘蕙瑕，以356.28分折桂，实现该项目的四连冠。<ref>[http://sports.qq.com/a/20120222/000560.htm 世界杯女单十米台决赛 陈若琳胡亚丹包揽冠亚］，腾讯，[2015-11-6]</ref>