Nell'estate del 2019, ai [[Campionati mondiali di nuoto 2019|campionati mondiali]] di [[Gwangju]], trionfa negli 800 m con un tempo di 7:39.27, nuovo [[Record europei del nuoto|record europeo]] della distanza. Nei 1500 m invece, dopo due titoli consecutivi, cede lo scettro al tedesco [[Florian Wellbrock]], come già accaduto l'anno precedente ai [[Campionati europei di nuoto 2018|campionati europei di Glasgow]]. In questa rassegna gareggia, oltre che in vasca, anche in acque libere; nella 10 km si piazza in sesta posizione, ottenendo il pass per le [[Giochi della XXXII Olimpiade|Olimpiadi di Tokyo 2020]], mentre nella gara a squadre vince la medaglia d'argento.
AllaAi suasuoi Terzaterzi olimpiadeGiochi conquistaolimpici laé prestigiosacostretto medagliaad d'argento grazieabdicare al secondotrono postodei nella1500 finalestile diliberi nuotoanche deia [[Nuotocausa aidei Giochipostumi della XXXII Olimpiade - 800 metri stile libero maschili|800 m stile libero]] ai [[GiochiMononucleosi della XXXII Olimpiadeinfettiva|mononucleosi]] di Tokyo 2020.<ref>{{cita news|autore=AlessandroDomenico TrebbiIovane|url=https://www.ilrestodelcarlinotrue-news.it/modena/olimpiadisports/gregorio-paltrinieri-medagliae-argentola-1.6639990mononucleosi-che-cose-la-malattia-che-lo-ha-messo-in-difficolta-alle-olimpiadi-di-tokyo-2020|titolo=OlimpiadiGregorio diPaltrinieri Tokyoe 2020,la Gregoriomononucleosi: Paltrinierila medagliamalattia d'argento:che "Lalo piùha bella"messo in difficoltà alle Olimpiadi di Tokyo 2020|pubblicazione=ilrestodelcarlinotrue-news.it|data=29 luglio 2021|accesso=3 agosto 2021|lingua|formato}}</ref>, Ama finesuccessivamente garasi hariscatta dichiaratoaggiudicandosi ill'argento risultatonegli come[[Nuoto unai miracoloGiochi dopodella ilXXXII mancatoOlimpiade allenamento- di800 almenometri unstile meselibero permaschili|800 colpam distile una [[Mononucleosi infettiva|mononucleosilibero]].<ref>{{cita news|autore=DomenicoAlessandro IovaneTrebbi|url=https://www.true-newsilrestodelcarlino.it/sportsmodena/olimpiadi/gregorio-paltrinieri-emedaglia-laargento-mononucleosi-che-cose-la-malattia-che-lo-ha-messo-in-difficolta-alle-olimpiadi-di-tokyo-20201.6639990|titolo=GregorioOlimpiadi Paltrinieridi eTokyo la2020, mononucleosi:Gregorio laPaltrinieri malattiamedaglia ched'argento: lo"La hapiù messo in difficoltà alle Olimpiadi di Tokyo 2020bella"|pubblicazione=true-newsilrestodelcarlino.it|data=29 luglio 2021|accesso=3 agosto 2021|lingua|formato}}</ref> Ile, il 5 agosto, arrivail terzobronzo allanella [[Nuoto ai Giochi della XXXII Olimpiade - 10 km maschili|10 km maschile]], conquistando una medaglia di bronzo e la sua seconda dei giochi olimpici di Tokyo.<ref>{{Cita web|url=https://www.sportmediaset.mediaset.it/speciale/tokyo-2020-olimpiadi-2021/tokyo-2020-nuoto-bronzo-paltrinieri-nei-10-km_36450690-202102k.shtml|titolo=Tokyo 2020, nuoto di fondo: bronzo Paltrinieri nei 10 km - Sportmediaset|sito=Sportmediaset.it|lingua=IT|accesso=2021-08-05}}</ref>