Steffens Weg an die Weltspitze verlief jedoch alles andere als geradlinig. Nach großen Erfolgen im Nachwuchsbereich galt sie früh als Ausnahmetalent, konnte ihre Leistungen bei internationalen Meisterschaften zunächst jedoch nicht bestätigen. Enttäuschungen bei den Olympischen Spielen in Sydney und Athen sowie mentale Belastungen führten 2004 sogar zu einem vorübergehenden Rücktritt vom Leistungssport. Nach einer Auszeit und mit Unterstützung ihrer Trainer und einer Sportpsychologin gelang ihr eines der bemerkenswertesten Comebacks im deutschen Spitzensport. 

Bereits 2006 kehrte sie eindrucksvoll zurück und gewann bei den Europameisterschaften in Budapest vier Goldmedaillen und einmal Silber. Über 100 Meter Freistil sowie mit beiden deutschen Freistilstaffeln stellte sie dabei Weltrekorde auf. Den Hö hepunkt ihrer Karriere erreichte Steffen bei den Olympischen Spielen 2008 in Peking. Dort gewann sie Gold über 100 Meter Freistil in der neuen olympischen Rekordzeit von 53,12 Sekunden und zwei Tage später auch über 50 Meter Freistil in 24,06 Sekunden – ebenfalls olympischer Rekord sowie Europarekord. Ein Jahr später untermauerte sie ihre Ausnahmestellung bei den Weltmeisterschaften in Rom. Mit Gold über 50 und 100 Meter Freistil sowie neuen Weltrekorden über beide Strecken krönte sie sich endgültig zur dominierenden Freistilschwimmerin ihrer Zeit. Ihr Weltrekord über 100 Meter Freistil hatte bis ins Jahr 2016 Bestand.

Auch abseits des Beckens setzte Steffen Akzente. Parallel zu ihrer Karriere absolvierte sie ein Studium der Wirtschafts- und Ingenieurwissenschaften mit Schwerpunkt Umwelt und Nachhaltigkeit sowie später einen Masterabschluss im Bereich Human Resources Management. Als Botschafterin der Deutschen Kinder- und Jugendstiftung engagierte sie sich für Gesundheitsförderung und Bewegungsprogramme für Kinder und Jugendliche. Nach dem Karriereende blieb sie dem Sport verbunden und übernahm 2020 eine Tätigkeit als Laufbahnberaterin am Olympiastützpunkt Berlin. Für ihre außergewöhnlichen Leistungen wurde sie 2019 in die „International Swimming Hall of Fame“ aufgenommen.