כתוב המשך לקטע זה - באולימפיאדת הקיץ 2012, פליקס התחרה בארבעה אירועים: 100 מטרים, 200 מטרים, 4 × 100 מטרים, ו 4 × 400 מטרים, ממוקם חמישי ב 100 מטרים וזוכה זהב בשלושה האחרים, ובכך הפך לאישה האמריקאית הראשונה לזכות בשלושה זהבים באתלטיקה באולימפיאדה מאז פלורנס גריפית-ג'וינר באולימפיאדת הקיץ 1988. בגמר הראשון שלה, בגמר של 100 מטר.
היא סיימה במקום החמישי עם שיא אישי של 10.89 שניות. בגמר 200 מטר, מרוץ שהיא הפסידה פעמיים באולימפיאדת הקיץ 2004 ו-2008 ליריבה הג'מייקנית, ורוניקה קמפבל-בראון, הוכח כניסיון שלישי מוצלח שלה, שכן היא ניצחה ב-21.88 שניות, וניצחה את קבוצת המתחרים המורכבת שכוללת את קמפבל-בראון, את זוכת מדליית הזהב באולימפיאדת 100 מטר 2012, שלי-אן פרייזר-פרייס, את זוכת מדליית הכסף באולימפיאדת 100 מטר 2012, קרמליטה ג'טר, ואת זוכת מדליית הזהב באולימפיאדה 400 מטר 2012, סניה ריצ'ארדס-רוס. פליקס יצאה מהבלוקים עם התחלה חזקה באופן מפתיע והייתה שווה עם הספורטאים הג'מייקנים שיצאו מהמעגל לפני שהתרחקו ב-50 המטרים האחרונים כדי לזכות במדליית הזהב האישית האולימפית שלה. שלי-אן פרייזר-פרייס זכתה במדליית הכסף, והאמריקאית קרמליטה ג'יטר זכתה במדליית הברונזה.