Mireia Belmonte García nació el 10 de noviembre en Badalona comenzó a nadar cuando tan solo tenía 5 años por recomendación médica siendo el Club Natación Badalona el primer club con el que empezó a competir. En el año 2003 consiguió una beca de la Federación Catalana de Natación para poder entrenar en el Centro de Alto Rendimiento de San Cugat del Vallés . Gracias a esta beca pudo ser fichada por el Club Natació L'Hospitalet en el que estuvo seis años. Fue en la temporada 2007/2008 cuando fue fichada por el Club Natación Sabadell aunque siguió entrenando en el Centro de Alto Rendimiento bajo las órdenes de Carles Subirana.
Su gran éxito le llegó en el año 2006 proclamándose Campeona del Mundial Júnior en 400 m estilo libre y 400 m estilos, también fue Campeona del Europeo Júnior en 200 m estilo libre y 400 m estilos. A Mireia Belmonte siempre le gustó mucho este deporte así que desde aquel punto fue ganando medallas y consiguiendo récords del mundo y de España, también fue clasificada para participar en los juegos de Pekín 2008. En el Campeonato Europeo de Natación disputado en Eindhoven, Países Bajos, Mireia Belmonte ganó la final individual femenina de 200 m estilos, batió el récord de los campeonatos con un tiempo de 2:11:16 y se alzó con la medalla de bronce en 200 m mariposa. También alcanzó la 8ª plaza en la final individual femenina de los 400 m estilos.
El 9 de agosto de 2008, se convirtió en nadadora olímpica al participar en los Juegos Olímpicos de Pekín 2008, donde compitió en las pruebas de 200 braza, 200 y 400 estilos y formó parte del relevo 4x100 estilos de España. Consiguió el récord de España en 400 estilos, aunque sólo pudo ser 14ª clasificada, la misma posición que consiguió en los 200 estilos.
En el Mundial de Piscina Corta de Dubái, en diciembre de 2010, se hizo con tres medallas de oro en 200 m mariposa, 200 m estilos y 400 m estilos, y también con una de plata en los 800 m libres. Consiguió en el XII Campeonato de España de 2011 la mejor marca mundial del año en 400 estilos y un nuevo récord demostrando que es imparable. En los Juegos Olímpicos de Londres 2012 se convirtió en la primera nadadora española en ganar dos medallas olímpicas.
En el Mundial de Barcelona de 2013, El 29 de julio, ganó la medalla de bronce en 200 estilos, y el 1 de agosto la de plata en los 200 m mariposa. Participó en el Europeo de Herning 2013 haciéndose con la medalla de oro y volviendo a batir récords mundiales.
Fue en el aó 2013 cuando comenzó a estudiar en la Universidad Católica San Antonio de Murcia, donde compagina sus estudios en el Grado de Publicidad y Relaciones Públicas con la natación en el club UCAM Club Natación Fuensanta.
En el año 2014 comenzó una relación sentimental con el también deportista y olímpico Javier Herranz quien destaca en la categoria de piragua k-4. Él ha sido cuatro veces medallista en las modalidades de aguas tranquilas y maratón del Campeonato Europeo de Piragüismo.
Durante los Juegos Olímpicos de Río 2016, obtuvo la medalla de oro en 200 metros mariposa. además de otra de bronce en 400 metros estilos. Se clasificó para la final de los 800 metros libres el 11 de agosto. Triunfando en el mundial de Budapest, no consiguió el oro.
