A 2012-es londoni nyári olimpián Agnel összesen három érmet nyert: két arany és egy ezüst. Az első versenyen Agnel a 4 × 100 méter szabadstílusú sztafet nyerte aranyat Amaury Leveaux, Fabien Gilot és Clément Lefert-tel. Agnel 0,55 másodperccel a 350 méternél csökkentette a lemaradást 0,30 másodpercre. Az utolsó 50 méterben Agnel megelőzte az amerikai Ryan Lochte-t, és Franciaország 3:09:93 idővel nyert az Egyesült Államok 3:10:38 időével. Agnel úszott a leggyorsabb split idő az egész mezőnyben egy idő 46,74, az egyetlen személy, hogy törje meg a 47 másodperc. Másnap Agnel második aranyérmét nyerte a 200 méteres szabad stílusban 1:43,14-es idővel, a leggyorsabb idő a francia úszás történetében, és 1,79 másodperccel az ezüstérmes Sun Yang és Park Tae-hwan előtt. A döntőben Agnel vezetett kezdettől a célig, 50,64-es időt rögzített az első 100 méterben és 52,50-et az utolsó 100 méterben. Az utolsó 50 méterre elért 25 óra 98 perc idője messze a leggyorsabb a pályán. Agnel az utolsó érmét, ezüstöt nyerte a 4 × 200 méteres szabadstílusú sztafetban az Egyesült Államok mögött Amaury Leveaux, Grégory Mallet és Clément Lefert mellett. A döntőben ő volt a leggyorsabb a mezőnyben, 1:43.24-es idővel. Az utolsó versenyen,
A 100 méteres szabadúszásban Agnel negyedik lett a 47.84 személyes legjobb idővel, 0.04 másodpercvel az érmeken kívül. Az Európai Úszó Szövetség 2012-ben az év legjobb európai úszójává választotta Agnel-t.