Op de Olympische Zomerspelen van 2012 deed Felix mee aan vier wedstrijden: 100 meter, 200 meter, 4 × 100 meter relay
, en 4 × 400 meter relay, vijfde plaats op de 100 meter en goud winnen in de andere drie, waardoor ze de eerste Amerikaanse vrouw is die drie gouden medailles in atletiek op een Olympische Spelen heeft gewonnen sinds Florence Griffith-Joyner op de Olympische Zomerspelen van 1988. In haar eerste finale, de 100 meter finale, werd ze vijfde met een persoonlijke record van 10,89 seconden. De 200 meter finale, een race die ze twee keer verloor op de Olympische Zomerspelen van 2004 en 2008 tegen de Jamaicaanse rivaal, Veronica Campbell-Brown, bleek haar succesvolle derde poging te zijn, omdat ze in 21,88 seconden won, een gestapeld veld overtreffen dat Campbell-Brown, 2012 Olympische 100 meter gouden medaillewinnaar Shelly-Ann Fraser-Pryce, 2012 Olympische 100 meter zilveren medaillewinnaar Carmelita Jeter, en 2012 Olympische 400 meter gouden medaillewinnaar Sanya Richards-Ross omvatte. Felix startte met een verrassend sterke start en stond op één lijn met de Jamaicaanse atleten die de bocht afliepen voordat ze zich terugtrok op de laatste 50 meter om haar langverwachte individuele Olympische gouden medaille te winnen. Shelly-Ann Fraser-Pryce won zilver en Amerikaanse landgenoot Carmelita Jeter nam de bronzen medaille.