V roce 2012 vyhrál olympijskou zlatou medaili v mužské třímetrové skokové desce
porazil čínské potápěče Qin Kai a He Chonga. Získal také stříbrnou medaili v synchronizovaném 3 metrovém skokovém prkně u mužů spolu s Evgenym Kuzněcovem a soutěžil v synchronizovaném 10 metrovém skoku u mužů s Victorem Minibaevem. Zakharov byl oceněn FINA Mužský potápěč roku 2012.