De Olympische 100 m finale van 2012 was de snelste Olympische race ooit: zeven mannen onder de tien seconden. Bolt won in 9,63 seconden en werd gevolgd door Yohan Blake. Gay's run van 9.80 betekende dat hij een bronzen medaille miste met een honderdste van een seconde voor landgenoot Justin Gatlin. Gay was zichtbaar van streek over zijn falen om het Olympisch podium te bereiken en huilde tijdens het interview na de race, zeggende: "Ik had het gevoel dat ik met het veld rende en ik kwam gewoon te kort". De relay finale.
Gay bracht zijn eerste olympische medaille en een Amerikaanse recordtijd van 37.04 seconden naast Trell Kimmons, Gatlin en Ryan Bailey. Ondanks het gelijkmaken van het vorige wereldrecord, wonnen de Amerikanen de zilveren medaille achter Jamaica, wiens team dat record met twee tiende van een seconde verbeterde. Hij werd echter later van deze medaille beroofd nadat hij in 2013 een drugstest had gefaald; dit kostte ook de rest van het relayteam hun medailles. In de laatste twee Diamond League 100 m races liep hij 9,83 als tweede in de Athletissima, waar Yohan Blake Gay's persoonlijke beste tijd gelijkmaakte, en verkeerde start in de Weltklasse 100 m serie finale.