De avslutande gulden kom först på 50 meter fritt med tiden 21,07, närmast före fransmannen Bruno Fratus (21,57).
Därefter, i lagkappen på 4x100 meter medley, bidrog han i högsta grad att USA kunde komma tillbaka och förbi Storbritannien.
Väl i mål noterade USA världsrekordstiden 3.26,78, en förbättring av det gamla rekordet med en halv sekund, noterat vid VM 2009.
Storbritannien slutade tvåa medan Italien tog hem bronset.
MER SIMNING: OS-silver till Sarah Sjöström på 50 fritt: ”Helt galet”