La grande star de la natation mondiale, surnommée la " Michael Phelps au féminin", elle est depuis 2022 la nageuse la plus titrée et la plus médaillée des championnats du monde avec 26 médailles pour 21 titres.

Elle a remporté 7 titres olympiques, 21 titres mondiaux (dont 16 à titre individuel, le record hommes/femmes confondus !) et a battu 14 records du monde (5 fois sur 800 m, 3 fois sur 400 m, 6 fois sur 1 500 m). Championne olympique du 800 m en 2012 à seulement quinze ans en réalisant un chrono de 8mn14s63, le deuxième meilleur temps de l'histoire sur cette distance, du 200 m, 400 m, 800 m et du 4 x 200 m en 2016, en améliorant son propre record du monde sur 400 m avec 3mn56s46 et sur 800 m avec 8mn04s79, du 800 m et du 1 500 m en 2021 (2eme avec le relais 4 x 100 m en 2016, du 400 m en 2021, battue par l'australienne Ariarne Titmus, et du relais 4 x 200 m en 2021).

21 fois championne du monde en grand bassin entre 2013 et 2023 : une fois sur 200 m (2015), 4 fois sur 400 m (2013, 2015, 2017 et 2022), 6 fois sur 800 m (2013, 2015, 2017, 2019, 2022 et 2023), 5 sur 1 500 m (2013, 2015, 2017, 2022 et 2023), 4 fois avec le relais 4 x 200 m (2013, 2015, 2017 et 2022), une fois avec le relais 4 x 100 m (2017).

Championne du monde du 400 m, du 800 m (en devenant la première femme sous les 8'13" en réalisant 8'12"86), du 1 500 m (en pulvérisant le record du monde en 15'36"53) et du relais 4 x 200 m en 2013. Elle est la deuxième nageuse après l'Allemande Hannah Stockbauer à réussir le triplé 400m/800m/1500m lors une même édition des championnats du monde. Elle conserve son titre mondial du 400 m, du 800 m, du 1 500 m et du 4 x 200 m en 2015 puis remporte celui du 200 m en 2015. Elle est ainsi la première nageuse à réussir le triplé 200m/400m/1500m lors d'une même édition des championnats du monde. Chez les hommes, Tim Shaw l'avait réussi en 1975. En remportant la finale du 800 m libre en 2015, elle entre définitivement dans la légende de la natation mondiale en réalisant ainsi un inédit quadruplé inédit (200-400-800-1 500 m). En 2017, elle confirme qu'elle est certainement la meilleure nageuse de tous les temps en remportant le 400 m, le 800 m, le 1 500 m et les relais 4 x 100 et 4 x 200 m (2eme du 200 m derrière Federica Pellegrini , sa première défaite en finale du championnat du monde). En remportant son troisième titre mondial consécutif sur 400 m, elle devient alors la première nageuse à remporter la même épreuve sur trois championnats du monde consécutifs. En 2019, bien que légèrement malade, elle remporte son quatrième titre mondial consécutif sur 800 m, encore un exploit (2eme du 400 m, battue aussi par Ariarne Titmus, et du relais 4 x 200 m). Aux Mondiaux de 2022, elle a remporté un 4eme titre sur 400 m, sur 1 500 m et avec le relais 4 x 200 m, puis un 5eme titre sur 800 m, ses 16eme, 17eme, 18eme  et 19eme titre planétaire en carrière. En 2023, elle s'impose sur le 800 et le 1500 m, ses 20eme et 21eme titre mondial !

Cinq fois recordwoman du monde en 2014 : 3'58"86 puis 3'58"37 sur 400 m, 8'11"00 sur 800 m et 15'34"23 puis 15'28"36 sur 1500 m. En mai 2018, elle améliore son record du monde du 1 500 m en 15'20"48.

Elle fait partie des neuf nageuses ayant détenu au même temps les records du monde des 400, 800 et 1500 m (avec Janet Evans en 1987, Tracey Wickham en 1978, Shane Gould en 1971, Debbie Meyer en 1967, Ilsa Konrads en 1960, Ragnhild Hveger en 1938, Helene Madison en 1931 et Martha Norelius en 1927). Début 2016, elle améliore son record du monde du 800 m de 0s71 pour le porter à 8mn06s68 puis à 8mn04s79 aus Jeux de Rio. Aux championnats des Etats-Unis en 2014, elle a réussi le triplé 400m/800m/1500m, un exploit que seule Janet Evans avait réussi avant elle, en 1987. Son vrai prénom est Kathleen.