Finále olympijských závodů na 100 metrů v roce 2012 bylo nejrychlejším olympijským závodem všech dob: sedm mužů za méně než deset sekund. Bolt vyhrál za 9,63 sekundy a následoval Yohan Blake. Gayův běh 9,80 znamenal, že zmeškal bronzovou medaili o jednu setinu sekundy před spoluobčanem Justinem Gatlinem. Gay byl viditelně rozrušený z toho, že se mu nepodařilo dosáhnout olympijského pódiu a během rozhovoru po závodě brečel a řekl: "Měl jsem pocit, že jsem běžel s pole a prostě jsem přišel krátký". Finále štafety
Gay přinesl svou první olympijskou medaili a americký rekordní čas 37.04 sekundy vedle Trella Kimmonse, Gatlina a Ryana Baileyho. Přestože se vyrovnali s předchozím světovým rekordem, Američané získali stříbrnou medaili za Jamajkou, jejíž tým tento rekord zlepšil o dvě desetiny vteřiny. Později však byl zbaven této medaile poté, co v roce 2013 selhal při testu na drogy; to také stálo zbytek štafety jejich medaile. V posledních dvou závodech Diamond League na 100 m běžel 9,83 jako druhý na Athletissima, kde Yohan Blake vyrovnal Gayův osobní nejlepší čas, a falešný start na finále série Weltklasse 100 m.