男子400米自由泳，中国队派出孙杨和郝运出战。预赛时两位中国选手都被分在第四小组，孙杨前150米一直处于领先，在300米时一度跌至第三，但最后100米发力夺回领先位置，以3分45秒07排名小组第一，两位美国选手范德凯伊和道耶，分别以3分45秒80和3分46秒24列在第二和第三。郝运以3分46秒88排名第四。
孙杨的主要对手，韩国名将朴泰桓在第三小组。本来朴泰桓以3分46秒68游完全程，但他在鸣熗前移动了脚被判犯规，一度被取消成绩无缘决赛。但经过韩国代表团的几次申诉，裁判组重新观看录相资料后，最终确定朴泰桓在起跳过程中不存在问题，做出最终结论。改判预赛结果，准予朴泰桓参加决赛。世界纪录保持者、德国名将比德尔曼、在第二小组表现糟糕，只游出3分48秒50，总排名第12位出局。郝运总排名第五，携手孙杨进入决赛。
孙杨凭借预赛第一的成绩，被分在第四泳道进行决赛。中国队另一位选手郝运也进入决赛，成绩排在第五，在第七道进行决赛。美国名将范德凯伊在第五道，他的队友道耶在第三道，被重新判进决赛的朴泰桓在第六道。
发令熗响后，朴泰桓就抢到前面的位置，孙杨紧随其后，郝运则排在第三，50米转身时朴泰桓处于领先。到100米时，孙杨逐渐缩小与朴泰桓的差距，郝运依旧在第三，朴泰桓明显先发力。150米转身时，孙杨继续紧跟朴泰桓，两人的争夺愈发激烈，到200米半程时朴泰桓领先0.32秒。
后半程两人继续激战，孙杨紧追不舍，到250米时已经反超朴泰桓，领先0.03秒。游到300米时，双方几乎齐头并进，朴泰桓只领先0.01秒。最后100米的激战，孙杨全面发力，350米转身后冲刺，已经完全甩开朴泰桓，优势愈发明显，最终以3分40秒14率先到达终点，夺取中国男子游泳的奥运历史第一金，并打破奥运会纪录。朴泰桓3分42秒06获得亚军，范德凯伊3分44秒69排在第三，郝运3分46秒02排在第四。
