uraauurtava olympiamitalisti
lempinimellä ”Skeeter” tunnetun nopeutensa vuoksi Rudolph selviytyi vuoden 1956 kesäolympialaisiin Australian Melbournessa. Yhdysvaltain yleisurheilumaajoukkueen nuorin jäsen hän voitti 16-vuotiaana pronssia 400 metrin viestissä. High schoolin jälkeen Rudolph kirjoittautui Tennessee State Universityyn, jossa hän opiskeli kasvatustiedettä. Hän harjoitteli kovaa myös seuraavia olympialaisia varten.
Roomassa pidetyt vuoden 1960 olympialaiset olivat Rudolphille kulta-aikaa. Sidottuaan maailmanennätyksen ajalla 11,3 sekuntia 100 metrin välierissä hän voitti kilpailun tuuliajolla 11,0 sekunnilla loppukilpailussa. Samoin Rudolph rikkoi olympiaennätyksen 200 metrin juoksussa (23,2 sekuntia) ennen kuin nappasi toisen kultamitalin ajalla 24,0 sekuntia. Hän kuului myös Yhdysvaltain joukkueeseen, joka teki maailmanennätyksen 400 metrin viestissä (44,4 sekuntia) ennen kuin voitti kultaa ajalla 44,5 sekuntia. Tämän seurauksena Rudolphista tuli ensimmäinen yhdysvaltalainen nainen, joka on voittanut yleisurheilussa kolme kultamitalia Yksissä Olympialaisissa. Ykkösluokan pikajuoksijasta tuli hetkessä yksi Rooman kisojen suosituimmista urheilijoista sekä kansainvälinen supertähti, jota ylistettiin ympäri maailmaa hänen uraauurtavista saavutuksistaan.
kisojen jälkeen Rudolph teki lukuisia esiintymisiä televisiossa ja sai useita kunnianosoituksia, kuten Associated Pressin vuoden naisurheilija-palkinnon sekä 1960 että 1961. Hän vetäytyi kilpailusta ei kauan sen jälkeen, ja jatkoi opettaa, valmentaja ja ajaa community center, muun pyrkimyksiä, vaikka hänen saavutuksistaan Olympic radalla pysyi hänen tunnetuin.