In juni 2024 nam Walsh deel aan de het Amerikaanse Olympische kwalificatietoernooi. Walsh zwom op de 100 meter vlinderslag met een tijd va 55,18 een nieuw wereldrecord, 30 honderdsten sneller dan het vorige record van Sarah Sjöström uit 2016. In juli nam Walsh dan al deel aan de Olympische Spelen in Parijs. In de finale van de 100 meter vlinderslag moest Walsh tevreden zijn met de zilveren medaille, achter haar landgenote Tori Huske. Samen met Torri Huske, Kate Douglass en Simone Manuel zwom Walsh naar een tweede zilveren medaille in de finale van de 4×100 meter vrije slag, waar de Verenigde Staten hun meerdere moest erkennen in het Australische viertal. In de finale van de 100 meter vrije slag eindigde Walsh op de 8e plaats. Samen met haar landgenoten Ryan Murphy, Nic Fink en Torri Huske zwom Walsh naar de Olympische titel in de 4x100 meter wisselslag voor gemengde teams. Met een tijd van 3.37,43 verbeterden ze ook het wereldrecord. Samen met Regan Smith, Lilly King en Torri Huske behaalde Walsh ook nog Olympisch goud in de 4x100 meter wisselslag. Ook hier was de tijd van 3.49,63 goed voor een wereldrecord.