צ'יימברס נבחר לצוות הבריטי לאולימפיאדת לונדון 2012 לאחר שהבוחרים לקחו בחשבון את ניצחון המבחנים שלו ואת זמנו מהשנה הקודמת. בהתחשב בשינוי הפתאומי במזלו, הוא אמר: "בשבילי לייצג את ארצי באולימפיאדה היא זכות שאסור לקחת כמובן מאליו. "הזדמנות לעשות זאת בעיר הולדתי הייתה חלום שלפעמים נראה רחוק מאוד ועכשיו הוא מציאות". הוא חזר לקבוצת הסדנאות הבריטית באליפות אירופה לאתלטיקה 2012 לאחר היעדרות של שש שנים, אך שינוי מקל כושל גרם לקבוצה להיות מושתלת. באולימפיאדה הוא זכה במירוץ 100 מטר בשיא העונה של 10.02 שניות, עם רוח חוקית של 2.0 מטר לשנייה, במירוץ האולימפי הראשון שלו מזה 12 שנים. הוא נבחר לאותו חצי גמר כמו אוסיין בולט, אבל ריצתו של צ'יימברס של 10.05 שניות למקום הרביעי גרמה לו לא להגיע לגמר. המשחקים האולימפיים שלו הסתיימו בתחרות הסבב של 4×100 מטר.
כי הקבוצה הבריטית עשתה חילופי מקלות לא חוקיים.