2021年1月1日，在2021年中国游泳争霸赛石家庄站女子400米自由泳决赛中，汤慕涵以4分05秒68的成绩获得亚军。1月2日，在2021年中国游泳争霸赛石家庄站女子200米自由泳决赛中，汤慕涵获得亚军。5月2日，在2021年全国游泳冠军赛女子400米自由泳决赛中，汤慕涵以4分05秒15的成绩获得亚军。7月14日，汤慕涵入选2020年东京奥运会中国体育代表团游泳项目运动员名单。7月25日，在2020年东京奥运会女子400米自由泳预赛中，汤慕涵以4分04秒07的成绩位列第8，晋级决赛。7月26日，在2020年东京奥运会女子400米自由泳决赛中，汤慕涵游以4分04秒10的成绩获得第5名。7月29日，在2020年东京奥运会女子4×200米自由泳接力决赛中，汤慕涵与杨浚瑄、张雨霏、李冰洁组成的中国队以7分40秒33的成绩获得冠军，并打破该项目世界纪录。8月9日，汤慕涵被共青团中央、全国青联授予“中国青年五四奖章”。8月31日，汤慕涵被授予广东省五一劳动奖章。9月5日，汤慕涵被中华全国总工会授予“全国五一劳动奖章”。9月15日，汤慕涵担任中华人民共和国第十四届全运会广东省代表团旗手。9月19日，在中华人民共和国第十四届运动会女子4×100米自由泳接力决赛中，汤慕涵与队友组成的广东队以3分37秒55的成绩获得亚军。9月20日，在中华人民共和国第十四届运动会女子400米自由泳决赛中，汤慕涵以4分01秒95的成绩获得冠军。9月22日，在中华人民共和国第十四届运动会女子200米自由泳决赛中，汤慕涵以1分54秒26的成绩获得冠军，并刷新该项目的全国纪录。9月24日，汤慕涵被评为“全国体育系统先进工作者”。9月25日，在中华人民共和国第十四届运动会女子800米自由泳决赛中，汤慕涵以8分25秒24的成绩获得亚军。9月26日，在中华人民共和国第十四届运动会女子4×100米混合泳接力赛中，汤慕涵所在的广东队以4分01秒99的成绩获得第4名。10月5日，汤慕涵被共青团广东省委员会、广东省青年联合会授予“广东青年五四奖章”。10月26日，汤慕涵被广东省人民政府给予个人记大功奖励。2022年5月5日，被共青团深圳市委员会评为2021年深圳十大杰出青年。