Székely Éva többéves kényszerszünet után, 1945-ben lett a válogatott tagja, mestere irányításával egyre jobb eredményeket ért el: 1945-ben országos csúcsot úszott 100 méteres mellúszásban, 1949-ben a 100 és 200 méter pillangóban az úszásnem első magyar bajnoka lett. A monte-carlói Európa-bajnokságon 1947-ben ezüstérmes, a londoni olimpián 1948-ban pedig negyedik lett 200 méter mellen, a gyorsúszó váltó tagjaként ötödik helyen végezett.

A csúcsra 1952-ben, a helsinki ötkarikás játékokon ért fel: a finn fővárosban úgy nyert aranyérmet 200 méteres mellúszásban, hogy a világon első nőként pillangózta végig a távot. Az akkori szabályok megengedték, hogy melltempó helyett a jóval gyorsabb, de sokkal megterhelőbb pillangótempóval ússzák végig a számot, a pillangóúszás a következő olimpiától lett külön úszásnem. Székely Éva olimpiai rekorddal győzött, és csaknem három másodperccel előzte meg az ezüstérmes Novák Évát. Az 1952-es nyári játékokon elindult 400 méter gyorson is, melyen hatodik helyen végzett.

A római olimpia előtt férjével, a vízilabdázó Gyarmati Dezsővel választás elé állították: csak egyikük mehet az ötkarikás játékokra, nehogy disszidáljanak, korábban, 1957-1958-ban egy évet az Egyesült Államokban töltöttek. Végül Székely Éva maradt itthon, aki gyógyszerészi, majd a Testnevelési Főiskolán edzői diplomát szerzett, 1969-től mesteredző lett. Miközben a MÁV Kórházban gyógyszerészként dolgozott, a BVSC, majd az FTC úszószakosztályának utánpótlásedzője lett, illetve 1969-től 1976-ig a Testnevelési Főiskola Kutató Intézetének munkatársa is volt. Legeredményesebb tanítványa lánya, Gyarmati Andrea, aki 1972-ben a müncheni olimpián 100 méter hátúszásban második, 100 méter pillangóban bronzérmes lett, emellett kétszeres Európa-bajnok és világbajnoki bronzérmes úszó. Székely Éva istápolta vízilabdás unokáját, Hesz Mátét, és átesett egy súlyos szemműtéten is.

1947-ben a Magyar Köztársasági Érdemérem arany fokozatát, 1949-ben a Magyar Köztársasági Sportérdemérem arany fokozatát, 1951-ben a Magyar Népköztársasági Sportérdemérem arany fokozatát és a Magyar Népköztársaság kiváló sportolója címet, 1954-ben a Magyar Népköztársaság Érdemes Sportolója címet kapta. 1976-ban beválasztották az egyesült államokbeli Fort Lauderdale-ben az úszás halhatatlanjai közé. 1994-től a Minden Idők Legjobb Magyar Sportolói Egyesületnek, a Halhatatlanok Klubjának tagja. 1996-ban a Magyar Köztársasági Érdemrend tisztikeresztjét, 2004-ben a Nemzeti Sportszövetség Életműdíját vehette át, ugyanabban az évben az elsők között lett a Nemzet Sportolója. 2006-ban megkapta a Nemzetközi Fair Play Bizottság Életmű-díját, 2007-ben a példaértékű sportolói és edzői életpálya elismeréseként a Magyar Köztársasági Érdemrend középkeresztje (polgári tagozat) kitüntetést, 2011-ben Prima-díjat kapott. 2014-ben beválasztották a Magyar Úszó Hírességek Csarnokába, a Magyar Úszó Szövetség, az FTC és a BVSC örökös bajnoka.

Versenyzői pályafutásának eseményeiről, oktatási módszereiről több könyvet is írt: Az én módszerem (1963), Ússzál velem (1971, társszerző Peterdi Pál), Jöttem, láttam... Vesztettem? (1986) és a Megúsztam (1989). A legnagyobb sikert 1981-ben megjelent emlékirata, a Sírni csak a győztesnek szabad aratta. Egyik szakkönyvéért Ezüstgerely-díjjal jutalmazták, életművének része az 1986-ban kiérdemelt Gyermekekért díj is.