Thomas concentreerde zich voor het seizoen 2012 op het wielrennen op de baan, waarbij hij deelnam aan de Olympische Zomerspelen in Londen. Als zodanig was de Giro d'Italia zijn prioriteit voor de wegrace, voordat hij zijn aandacht richtte op het circuit. In maart reed Thomas naar Parijs/Nice, waar hij Bradley Wiggins hielp de overwinning te behalen. Op 4 april was Thomas lid van het Britse team achtervolgingsteam dat goud won op het UCI Track Cycling World Championships.
in Melbourne, met een nieuw wereldrecord van 3:53.295 seconden. Hij werkte ook samen met Ben Swift om de zilveren medaille in de Madison te winnen. Thomas keerde vervolgens terug naar de weg en won de proloog van de Tour de Romandie.