ヌルミが1924年春にひざを怪我したことで1924年パリオリンピックの参加が一時危うくなったが、彼は回復して1日2回のトレーニングを再開した[16]。6月19日、ヌルミはオリンピックのスケジュールを試そうとしてヘルシンキのエラインタルハ競技場（英語版）で1500メートルと5000メートルを1時間内に走り、両方とも世界記録を更新した[18]。パリのオリンピックで行われた1500メートル競走の決勝戦では最初の800メートルを世界記録更新の時よりも3秒ほど早く走った[18]。ヌルミに挑戦できたのはアメリカのレイ・ワトソン（英語版）だけだったが、最後の一周で諦めたため、ヌルミは速度を少し落としつつヴィリー・シェーラー、ハイラ・ブリストー・ストーラード（英語版）、ダグラス・ロウに勝利[18] 、それでもオリンピック記録を3秒下回って更新した[19]。しかし、5000メートル競走は1500メートル競走から2時間未満で開始、すでに3000メートル障害と10000メートル競走で金メダルを獲得した、同じくフィンランド出身のビレ・リトラが強敵として立ちはだかった[18]。リトラとエドヴィン・ヴィーデはヌルミがきっと疲れていると考え、世界記録のペースで走って彼にエネルギーを使い果せようとした[20][21]。時計ではなく2人の男と競争していたことがわかると、ヌルミはストップウオッチを傍らの草に放り投げた[20]。やがてヴィーデのペースが遅くなり、ヌルミとリトラのみが競争を継続した[18]。最後の直線ではリトラが外側から走ったが、ヌルミもペースを上げてリトラを1メートル後ろに維持して勝利した[18]。

一方、クロスカントリー競走では45度という酷暑だったため[22]競走者38人のうち15人がリタイヤ[18]、完走した走者でも8人がストレッチャーで運ばれた[18]。走者の1人が終点のある競技場に着くと小さな円をぐるぐると走り、やがて観覧席に当たって人事不省に陥った[23]。ヴィーデは最初にはリードしたが失神してしまい、病院で死去したとの誤報があったほどだった[24][25]。ヌルミはリトラをほぼ1分半リードして勝利した後も少し疲れたように見えただけだった[18]。フィンランドがクロスカントリー団体のメダルを失ったように見えた中[注 1]、ヘイッキ・リーマタイネンが混乱しつつ千鳥足で競技場に入った。しかし、千鳥足であったためほとんど進めていなかった[26]。リーマタイネンの前を走っていた選手が終点まで後50メートルのところで失神したため、リーマタイネンは終点に着いたと勘違いして走りを止め、競走路の外に出ようとした[注 2]。観客たちは叫んだが彼に無視された。観客たちがはらはらする中、彼はようやく自分の置かれた状況が分かり、方向転換して12位でゴール、団体戦の金メダルを確保した[18][26]。競技場にいた人々はこの光景に衝撃を受け、オリンピック当局はそれ以降のオリンピックでクロスカントリー競走を禁止した[27]。

翌日の3000メートル団体ではヌルミとリトラが再び1位と2位となり、エリアス・カッツが5位でゴールしたおかげで団体戦の金メダルを獲得した[18]。ヌルミは5種目で金メダルを5個獲得したが、フィンランド当局がスター走者の間で種目を分配、最愛の10000メートル競走を走れなかったためそのことを苦々しく思っていた[18][28]。