Formada al Club Natació Badalona, competí pel Club Natació l’Hospitalet fins el 2008, que passà al Club Natació Sabadell. Entre el 2013 i el 2023 entrenà a l’UCAM de Múrcia i des de l’octubre del 2023 al CN Barcelona. L’any 2006 guanyà dues medalles d’or en el Campionat Mundial de natació júnior de Rio de Janeiro en les especialitats de 400 m lliures i 400 m estils.
Des del 2008 és la clara dominadora en els campionats d’Espanya i ha afermat el seu lideratge en totes les especialitats, convertint-se en la principal medallista, amb rècords estatals en 800 i 400 m lliures en piscina llarga (2012), 200 i 400 m estils en piscina llarga (2013) i 200 m papallona en piscina llarga (2013).
En la competició internacional, és la nedadora de l’Estat espanyol de la seva generació que més trofeus ha obtingut. Participà en els Jocs Olímpics de Pequín el 2008, any que aconseguí el rècord mundial en la prova dels 400 m estils. L’any 2013, en el Campionat del Món de Berlín baté el rècord mundial dels 800 m lliures en piscina curta (7.59,34 min) i es convertí en la primera dona a baixar dels vuit minuts en la distància. En la mateixa competició baté també el rècord mundial dels 400 m lliures en piscina curta (3.54,52 min), i el novembre del 2013 baté el rècord mundial dels 1.500 m lliures en piscina curta (15.26.96).
Rebé la medalla d’or de la Federació Espanyola de Natació (2008), el Premi Nacional de l’esport (2013) i la medalla d’or al Mèrit Esportiu (2015). El 2016 fou escollida millor esportista de l’any per la Unió de Federacions Esportistes de Catalunya.
Palmarès internacional de Mireia Belmonte| Campionat | Any | Localitat | Medalla | Especialitat |
| Campionat Europeu en piscina curta | 2007 | Debrecen (Hongria) | argent | 200 m estils |
| Campionat Europeu de Natació | 2008 | Eindhoven (Països Baixos) | or | 200 m estils |
| bronze | 200 m papallona | |||
| Campionat Europeu en piscina curta | 2008 | Rijeka (Croàcia) | or | 400 m estils |
| Campionat Europeu en piscina curta | 2009 | Istanbul (Turquia) | argent | 400 m estils |
| Campionat Mundial en piscina curta | 2010 | Emirats Àrabs Units | or | 400 m estils |
| or | 200 m papallona | |||
| or | 200 m estils | |||
| argent | 800 m lliures | |||
| Campionat Europeu en piscina curta | 2011 | Szczecin (Polònia) | or | 200 m papallona |
| or | 200 m estils | |||
| or | 400 m lliures | |||
| or | 400 m estils | |||
| Jocs Olímpics | 2012 | Londres (Gran Bretanya) | argent | 800 m lliures |
| argent | 200 m papallona | |||
| Campionat Mundial de Natació | 2013 | Barcelona (Catalunya) | argent | 400 m estils |
| argent | 200 m papallona | |||
| bronze | 200 m estils | |||
| Campionat Mundial en piscina curta | 2013 | Berlín (Alemanya) | or | 400 m lliures |
| or | 800 m papallona | |||
| Campionat Europeu en piscina curta | 2014 | Berlín (Alemanya) | or | 200 m papallona |
| or | 1.500 m lliures | |||
| argent | 800 m lliures | |||
| argent | 400 m estils | |||
| bronze | 5.000 m aigües obertes | |||
| bronze | 400 m lliures | |||
| Campionat Mundial en piscina curta | 2014 | Doha (Qatar) | or | 400 m lliures |
| or | 400 m braça | |||
| argent | 400 m estils | |||
| Jocs Olímpics | 2016 | Rio de Janeiro (Brasil) | or | 00 m papallona |
| bronze | 400 m estils | |||
| Campionat Mundial de Natació | 2017 | Budapest (Hongria) | or | 200 m papallona |
| argent | 1.500 m lliures | |||
| argent | 400 m estils | |||
| Jocs Mediterranis | 2018 | Tarragona (Catalunya) | or | 200 m papallona |
| or | 200 m estils | |||
| argent | 800 m lliures |