Na letních olympijských hrách v roce 2012 se Felix zúčastnil čtyř soutěží: 100 metrů, 200 metrů, 4 × 100 metrů
, a 4 × 400 metrů štafeta, umístění páté na 100 metrů a vyhrál zlato v ostatních třech, čímž se stala první americká žena, která vyhrála tři zlaté medaile v atletice na olympiádě od Florence Griffith-Joyner na letních olympijských hrách v roce 1988. Ve svém prvním finále, finále na 100 metrů, se umístila na pátém místě s osobním rekordem 10,89 sekundy. Finále na 200 metrů, závod, který dvakrát prohrála na Letních olympijských hrách 2004 a 2008 Jamajce, Veronicě Campbell-Brownové, se ukázalo jako její úspěšný třetí pokus, když vyhrála za 21,88 sekundy, překonala nahromaděné pole, které zahrnovalo Campbell-Brownovou, olympijskou zlatou medailistku na 100 metrů Shelly-Ann Fraser-Pryceovou, stříbrnou medailistku na 100 metrů Carmelitě Jeterové a olympijskou zlatou medailistku na 400 metrů Sany Richards-Rossovou. Felix vyrazil z bloků s překvapivě silným začátkem a byl na stejné úrovni s jamajskými sportovci, kteří se dostali z křivky, než se v posledních 50 metrech vzdálili, aby získali dlouho očekávanou olympijskou zlatou medaili. Shelly-Ann Fraser-Pryceová získala stříbro a americká spoluobčanka Carmelita Jeterová bronzovou medaili.