Phelps, de 21 años, ganó en cuatro minuto 06.22 segundos y rebajó en 2.04 su marca anterior de 4:08.26, conseguida en los Juegos Olímpicos de Atenas en 2004.
Su compatriota Ryan Lochte terminó segundo con un tiempo de 4:09.74 después de liderar los primeros 200 metros, mientras que el italiano Luca Marin fue tercero con una marca de 4:09.88.
Phelps, que también ha ganado los 200 estilos, 200 libres, 200 mariposa, 100 mariposa y dos relevos, se convierte en la primera persona en ganar siete medallas de oro en unos campeonatos del mundo, rompiendo el anterior récord de seis del australiano Ian Thorpe, conseguido en Fukuoka, Japón, en 2001.
El estadounidense había intentado conseguir la proeza de ganar 8 metales dorados y superar a su compatriota Mark Spitz, que consiguió siete en los Juegos Olímpicos de Múnich en 1972, pero sus opciones se esfumaron cuando Estados Unidos fue descalificado a primera hora del domingo de la final de los relevos de 400 estilos.
EEUU marcó el mejor tiempo en la eliminatoria pero fueron descalificados cuando Ian Crocker saltó antes de tiempo en el segundo cambio.
Phelps no nadó en la eliminatoria pero iba participar en la final.
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