A 2012. július 6-án Párizsban megrendezett Gyémánt Liga versenyen Greene 47,84 másodperc személyes rekordot ért el, másodikként zárva Javier Culson után, hogy még közelebb kerüljön a brit rekordhoz a 400 méteres akadályfutásban. Greene-t a 2012-es londoni olimpiai játékokra a Nagy-Britannia atlétikai csapatának kapitányává választották, mint az egyik kedvenc érmet. A 400 méteres akadályfutás első fordulójában Greene 48,98 másodperc alatt nyerte a versenyt, a leggyorsabb idő a fordulóban. A félfinálban Greene lassan futott, negyedik lett, és csak a leggyorsabb vesztesként jutott el a döntőbe. A döntőben Greene negyedik lett a 2004-es olimpiai bajnok, Félix Sánchez mögött, meglepetésként az amerikai Michael Tinsley és Javier Culson, lassabb, mint a félfinálban. A verseny után Greene nagy csalódást vallott, és hibáztatta az edzés megzavarását, amit a téli térd sérülés okozott. Greene is futott a döntőben a
4 × 400 méteres váltó, a brit csapat negyedik lett, mindössze 0,13 másodperccel az érmetől.