Dopo il successo aglidegli europei, divenne uno dei favoriti dell'[[Giochi della XXVII Olimpiade|Olimpiade di Sydney 2000]], nei 200 m stile libero, siaffrontò trovòper controla prima volta il campione e primatista mondiale [[Ian Thorpe]], il favorito dal pubblico di casa e dallo stesso van den Hoogenband, chequesti nella semifinale stabilì il nuovo [[Progressione del record mondiale dei 200 m stile libero|record del mondo]] con il tempo di 1'45"35, con un passaggio veloce,al maquale Thorpe rispose con un tempo inferiore di solo 2 centesimi di secondo. In finale, contro il suo pronostico van den Hoogenband eguagliò il suo tempo della semifinale e vinse la medaglia d'oro sopravanzando Thorpe, che lo pressò sin dai primi 100 metri in 50"85, rallentando nella seconda parte di gara e chiudendo in 1'45"83.
Registrò un [[Progressione del record mondiale dei 100 m stile libero|record]] per la terza volta nella semifinale dei 100 m stile libero, con 47"84 abbassò di 34 centesimi il primato stabilito tre giorni prima da [[Michael Klim]], abbattendo per la prima volta il muro dei 48 secondi, nuotando 24"68 nella vasca di ritorno; il tempo rimase imbattuto fino al [[2008]]. In finale vinse il suo secondo oro in 48"30, sconfiggendosopravanzando ildi campione39 delle edizioni [[1992]] e [[1996]],centesimi il russo [[Aleksandr Popov (nuotatore)|Aleksandr Popov]], campione delle edizioni [[1992]] e [[1996]]. VinseOttenne inoltre altre due medaglie, entrambe di bronzo, nei 50 m stile libero, con 22"03 arrivò per 5 centesimi dietro a [[Anthony Ervin]] e come[[Gary ultimoHall frazionistaJr]] della(primi staffettaa olandesepari dellamerito), mentre nella staffetta 4x200 m stile libero connuotò unacome anchor leg per i [[Paesi Bassi]], registrando la supermigliore frazione in assoluto da 1'44"88 escludendo l'Italia dal podio finale.
