31-åringen simmade andrasträckan och fick sedan en nervös väntan innan Nathan Adrian säkrat guldet för USA, en dryg halvsekund före de regerande olympiska mästarna från Frankrike, på tiden 3.09,92. Det var Phelps 23:e OS-medalj.
Sarah Sjöström var inte ensam om att slå världsrekord i Rio de Janeiro. Adam Peaty och Katie Ledecky gjorde samma sak.
Nu väntar dessutom en kamp mellan Ledecky och Sjöström på 200 meter fritt som startar i kväll. Ledecky är regerande världsmästare på distansen medan Sjöström är världsetta i år.
Ledecky, 19, försvann från konkurrenterna nästan omedelbart i finalen på 400 meter frisim och förbättrade sitt eget världsrekord med nästan två sekunder. Hon nådde kaklet på tiden 3.56,46. Tvåan Jazz Carlin, Storbritannien, var i mål på 4.01,23.
Amerikanskan, som vann fem VM-guld i Kazan i fjol, tog sitt andra OS-guld i karriären.
Adam Peaty forsade fram till OS-guld och världsrekord på 100 meter bröstsim som han vann på 57,13. Segermarginalen till silvermedaljören Cameron van der Burgh (58,69) var alltså lite mer än 1,5 sekund. Det tidigare världsrekordet, som Peaty satte i försöken, putsades med 42 hundradelar.