Chambers werd genoemd in het Britse team voor de Olympische Spelen van 2012 in Londen nadat de selecteurs rekening hielden met zijn trialswinst en zijn tijden van het voorgaande jaar. Gezien de abrupte ommekeer in zijn fortuin zei hij: "Voor mij is het vertegenwoordigen van mijn land op een Olympische Spelen een voorrecht dat nooit als vanzelfsprekend moet worden beschouwd. Dat ik in mijn geboortestad de gelegenheid kreeg dit te doen, was een droom die soms heel ver weg leek en nu werkelijkheid is geworden". Hij keerde terug naar het Britse relayteam bij het Europese Atletiekkampioenschap 2012 na een afwezigheid van zes jaar, maar een verknalde stafkeuze zorgde ervoor dat het team gediskwalificeerd werd. Op de Olympische Spelen won hij de 100 meter heat in een seizoensbest van 10,02 seconden, met een wettelijke wind van 2,0 m/s, in zijn eerste Olympische race in twaalf jaar. Hij werd getrokken in dezelfde halve finale als Usain Bolt, maar Chambers' run van 10,05 seconden voor de vierde plaats betekende dat hij de finale niet haalde. Zijn Olympische Spelen kwamen tot een einde in de 4×100 meter relay heats.
Het Britse team maakte een illegale stokwisseling.