Na letních olympijských hrách 2012 Felix soutěžil ve čtyřech disciplínách: 100 metrů, 200 metrů,
4 × 100 metrů a 4 × 400 metrů, umístila se na pátém místě na 100 metrů a vyhrála zlato v dalších třech, čímž se stala první americkou ženou, která vyhrála tři zlaté medaile v atletice na olympiádě od doby, kdy Florence Griffith-Joynerová 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.