Géant de 1,99m pour 99 kg, il a été l'un des patrons de la natation française avec 33 médailles internationales depuis 2012 : 15 en grand bassin (dont 1 titre olympique, 4 titres mondiaux et 6 titres européens) et 18 en petit bassin (dont 4 titres mondiaux et 5 titres européens). Il est le frère de la multiple championne olympique Laure. Ils sont la première fratrie à remporter tous les deux des titres olympiques en natation.

Il a été élu 'meilleur nageur européen' en 2014. Il a créé une énorme surprise aux Jeux Olympiques de Londres en 2012 en remportant le titre sur 50 m, sans jamais avoir été champion de France auparavant (2eme en 2016, battu dun centième de seconde par le vétéran américain Anthony Earvin, et en 2021 ; 2eme avec le relais 4 x 100 m en 2016). Champion du monde avec le relais 4 x 100 m en 2013 et 2015 et du 50 m libre et du 50 m papillon en 2015. Avec trois médailles d'or aux Mondiaux de Kazan en 2015, il est devenu le premier Français à réussir un triplé en or : le relais 4x100 m libre, puis le 50 m papillon et enfin le 50 m libre. Un exploit inédit pour la France ! Il a été la grande star des championnats d'Europe 2014 avec 4 titres dont 3 à titre individuel : 50 m papillon (son premier grand titre individuel), 50 m, 100 m (devant Fabien Gilot , ce qui constitue le premier doublé français aux championnats d'Europe sur 100 m) et avec le relais 4 x 100 m. Il est le 6eme nageur français sacré sur 100 m après Alex Jany (1947 et 1950), Alain Gottvalès (1962), Michel Rousseau (1970), Stephan Caron (1985) et Alain Bernard (2008 et 2010). Il est également le deuxième Français à avoir réussi le doublé européen 50/100 m après Alain Bernard en 2008. Il conserve son titre européen sur 50 m et avec le relais 4 x 100 m en 2016 et termina 2eme avec le relais 4 x 100 m 4 nages. En petit bassin : champion du monde du 50 m, du 50 m dos et du relais 4 x 100 m en 2014 et du relais mixte 4 x 50 m en 2022 en battant le record du monde avec 1mn27s33 (2eme du 50 m et 3eme du 50 m brasse en 2012 ; 2eme du 100 m, du 4 x 50 m 4 nages et 3eme du 4 x 100 m 4 nages en 2014).

Avec six médailles (3 or, 2 argent et 1 bronze) remportées en 2014, il est le premier Français à avoir remporté autant de récompenses lors d'un Mondial devançant sa soeur Laure et ses 5 médailles lors de Mondiaux grand bassin en 2007. Champion d'Europe en petit bassin du 50 m et avec les relais 4x50 m et 4x50 m 4 nages, 4x50 m et 4x50 m nages mixtes en 2012 (2eme du 50 m et 3eme du relais 4 x 50 m mixte en 2019 pour son retour en équipe de France après 3 ans d'absence ; 2eme du 50 m et du 4 x 50 m 4 nages et 3eme du 4 x 50 m mixte en 2023). Recordman du monde en petit bassin du 50 m de 2014 à 2019 (20"26) et du 50 m papillon depuis 2014 (22s22). Il remporta son premier titre de champion de France en 2013 sur 50 m libre pour un total de 32 titres nationaux. En septembre 2016, il décide de délaisser la natation pour se tourner vers le handball (sans grand succès) avant de reprendre la compétition en natation en mars 2019, avec comme objectifs les Jeux Olympiques de Tokyo 2020 et de Paris 2024. A Tokyo, en 2021, il devient vice-champion olympique du 50 m derrière l'intouchable Caeleb Dressel, la seule médaille française de la natation lors de cette édition. Il devient ainsi le premier nageur de l'histoire à être médaillé sur cette distance dans trois éditions différentes (or en 2012 et 2021, argent en 2016) moins de deux ans et demi après son retour à la natation ! Il est en couple avec la nageuse danoise Pernille Blume.