2019年1月8日，在2019年
全国春季游泳锦标赛女子1500米自由泳比赛中，汤慕涵以16分46秒86的成绩获得季军。5月，在2019年全国青年游泳锦标赛女子乙组800米自由泳比赛中，汤慕涵获得冠军。8月15日，在中华人民共和国第二届青年运动会游泳项目体校乙组女子1500米自由泳比赛中，汤慕涵以16分39秒56的成绩获得冠军。8月19日，
国际泳联公布2019年游泳世界青年锦标赛中国队参赛名单，汤慕涵入选。
2020年9月29日，在
2020年全国游泳冠军赛女子1500米自由泳决赛中，汤慕涵以16分14秒67的成绩获得亚军。10月1日，在2020年全国游泳冠军赛女子400米自由泳决赛中，汤慕涵以4分07秒14的成绩获得冠军。
2021年1月1日，在2021年中国游泳争霸赛石家庄站女子400米自由泳决赛中，汤慕涵以4分05秒68的成绩获得亚军。1月2日，在2021年中国游泳争霸赛石家庄站女子200米自由泳决赛中，汤慕涵获得亚军。5月2日，在2021年全国游泳冠军赛女子400米自由泳决赛中，汤慕涵以4分05秒15的成绩获得亚军。7月14日，汤慕涵入选
2020年东京奥运会中国体育代表团游泳项目运动员名单。7月25日，在
2020年东京奥运会女子400米自由泳预赛中，汤慕涵以4分04秒07的成绩位列第8，晋级决赛。7月26日，在2020年东京奥运会女子400米自由泳决赛中，汤慕涵游以4分04秒10的成绩获得第5名。7月29日，在2020年东京奥运会女子4×200米自由泳接力决赛中，汤慕涵与
杨浚瑄、
张雨霏、
李冰洁组成的中国队以7分40秒33的成绩获得冠军，并打破该项目世界纪录。8月9日，汤慕涵被共青团中央、全国青联授予“
中国青年五四奖章”。8月31日，汤慕涵被授予广东省五一劳动奖章。9月5日，汤慕涵被中华全国总工会授予“全国五一劳动奖章”。9月15日，汤慕涵担任
中华人民共和国第十四届全运会广东省代表团旗手。9月19日，在
中华人民共和国第十四届运动会女子4×100米自由泳接力决赛中，汤慕涵与队友组成的广东队以3分37秒55的成绩获得亚军。9月20日，在中华人民共和国第十四届运动会女子400米自由泳决赛中，汤慕涵以4分01秒95的成绩获得冠军。9月22日，在中华人民共和国第十四届运动会女子200米自由泳决赛中，汤慕涵以1分54秒26的成绩获得冠军，并刷新该项目的全国纪录。9月24日，汤慕涵被评为“全国体育系统先进工作者”。9月25日，在中华人民共和国第十四届运动会女子800米自由泳决赛中，汤慕涵以8分25秒24的成绩获得亚军。9月26日，在中华人民共和国第十四届运动会女子4×100米混合泳接力赛中，汤慕涵所在的广东队以4分01秒99的成绩获得第4名。10月5日，汤慕涵被共青团广东省委员会、广东省青年联合会授予“广东青年五四奖章”。10月26日，汤慕涵被广东省人民政府给予个人记大功奖励。2022年5月5日，被共青团深圳市委员会评为2021年深圳十大杰出青年。
2022年5月19日，国家体育总局游泳运动管理中心公布了第十九届世界游泳锦标赛集训名单，其中包括汤慕涵。6月10日，入选参加布达佩斯游泳世锦赛的45人参赛名单。北京时间6月19日凌晨，2022年布达佩斯游泳世锦赛游泳项目结束五项决赛，汤慕涵取得女子400米自由泳第8名（4:10.70）。6月22日，在2022年布达佩斯游泳世锦赛女子200米自由泳比赛中，以 1分56秒25的成绩获得铜牌。6月23日，在2022年布达佩斯游泳世锦赛女子4x200米自由泳接力决赛中，由汤慕涵、李冰洁、艾衍含和杨浚瑄组成的中国队以7分45秒72的成绩获得第四名。2022年10月27日，2022年短池世锦赛达标赛女子400米自由泳第二名。10月29日，在2022年短池世锦赛达标赛800米自由泳决赛中，汤慕涵排名第三。
2024年4月24日，2024年全国游泳冠军赛女子4×200米自由泳接力决赛中，劳丽慧/秦帆/孔雅琪/汤慕涵浙粤联队7分57秒22获得亚军。6月18日，汤慕涵入选中国国家游泳队参加2024年巴黎奥运会的运动员名单。8月2日，
2024年巴黎奥运会女子4X200米自由泳接力决赛，中国队汤慕涵等人以7分42秒34夺得季军。10月18日，
2024年世界泳联游泳世界杯上海站女子400米自由泳决赛，汤慕涵获得铜牌。