Olimpiyat Tenis Merkezi Kortları'ndaki final müsabakasında, yurttaşı 6 numaralı seribaşı Dinara Safina ile karşılaşan Dementieva, ilk seti 6-3 yitirmesine karşın, diğer 2 seti 7-5 ve 6-3'lük skorlarla kazanarak rakibini 2-1 yendi ve altın madalyaya ulaştı. 2 Rus raketin karşı karşıya geldiği finalin ilk setinde Dementieva, durum 2-2 iken 4 kez servis kırma şansı yakaladı, ancak kendisine avantaj sağlayacak sonuca ulaşamadı. Bir sonraki oyuna 3-2 önde giren Safina, rakibinin servisini kırmayı başardı ve durumu 4-2'ye getirdi. Dementieva, rakibinin servis attığı oyunda durum 5-3 iken yine 3 kez elde ettiği servis kırma şansını kullanamadı ve Safina ilk seti 6-3 kazandı. Dementieva, servis atarak başladığı 2. setin ilk oyununu zorlanmasına karşın aldı. Agresif oyununu sürdüren Dementieva, maçta ilk kez servis kırarak 3-1 öne geçti. Durum bir sonraki oyunda 4-1'e geldi, ancak Safina, hırsıyla sonraki 3 oyunu aldı ve 4-4 eşitliği sağladı. Dementieva, 6-5 önde girdiği setin son oyununu 7-5 kazandı ve setlerde durumu 1-1'e getirdi. Dementieva, son sete de hızlı başladı ve 3 kez servis kırdığı ilk 4 oyunda 3-1 öne geçti. Dementieva, üstünlüğünü setin geri kalan kısmında da korudu ve son seti 6-3 kazanarak altın madalyanın sahibi oldu. Dementieva, Sydney-2000'de de tek bayanlarda gümüş madalyanın sahibi olmuştu. Bronz madalya müsabakasında ise 9 numaralı seribaşı Rus tenisçi Vera Zvonareva ile Çinli Li Na karşılaştı. Zvonerava, setleri 6-0 ve 7-5 alarak maçı 2-0 kazandı ve tek bayanlar teniste tüm madalyaların Rusya'da kalmasını sağladı. AA