A 2012-es olimpiai 100 méteres döntő volt a leggyorsabb olimpiai verseny: hét férfi tíz másodperc alatt. Bolt 9,63 másodperc alatt nyert, és Yohan Blake követte. Gay 9,80-as futása azt jelentette, hogy egy másodperc százasával elkerült a bronzérmet a honfitársa, Justin Gatlin elől. Gay láthatóan zaklatott volt amiatt, hogy nem jutott el az olimpiai dobogóra, és sírt a verseny utáni interjúban, mondván: "Úgy éreztem, hogy a mezőnyben futottam, és csak rövidre jöttem". A
A sztafé döntőben Gay első olimpiai érmét és az amerikai rekordot 37,04 másodpercben érte el Trell Kimmons, Gatlin és Ryan Bailey mellett. Annak ellenére, hogy megegyeztek a korábbi világrekorddal, az amerikaiak ezüstérmet nyertek Jamaika mögött, amelynek csapata egy másodperc két tizedesével javította ezt a rekordot. Később azonban elvették tőle ezt a kitüntetést, miután 2013-ban elbukott egy kábítószer-tesztben; ez a többi sztafé csapatnak is megkerült a kitüntetését. Az utolsó két Gyémánt Liga 100 méteres versenyen 9,83 futott, az Athletissima versenyen második lett, ahol Yohan Blake megegyezett Gay személyes legjobb idejével, és a Weltklasse 100 méteres sorozat döntőjén hamis startot kapott.