A 2012-es londoni nyári olimpiai játékokon 57,42 másodperc volt a legjobb ideje a 100 méteres pillangóversenyen
és továbbjutott a döntőbe. A döntőben 57,48 óra alatt úszott, így hetedik lett. "A célom valójában az volt, hogy bekerüljek a döntőbe, és ha egyszer ezt elértem, az csak a finomság volt, hogy versenyezhetek a döntőben" - mondta. "El vagyok ragadtatva. Annyira boldog vagyok, hogy sikerült". Később a játékokon a 4×100 méteres medley-relében az amerikai csapat részére úszott a pillangó lábát az előkészületek során. A csapattársai megnyerték a sztafé döntőt, és Donahue aranyérmet szerzett.