2012 m. Londono vasaros olimpinėse žaidynėse Agnel laimėjo tris medalius: du auksinius ir vieną sidabrinį. Pirmoje varžybose Agnelas atėjo iš nugaros 4 × 100 metrų laisvosios stiliaus štafete ir laimėjo auksą su Amaury Leveaux, Fabien Gilot ir Clément Lefert. Agnel sugebėjo nusileisti 0,55 sekundės pertraukos ir 350 metrų atstumu nusileisti 0,30 sekundės pertraukos. Paskutiniais 50 metrų trukmės lenktyniu Agnel'as įveikė amerikietį Ryan'ą Lochte'ą, o Prancūzija laimėjo 3:09:93, o JAV - 3:10:38. Agnel plaukiojo greičiausią laiką iš viso lauko su laiku 46.74, vienintelis asmuo, kuris sulaužė 47 sekundes. Kitą dieną Agnel laimėjo savo antrąjį aukso medalį 200 metrų laisvosios stiliaus lenktynėse su laiku 1:43,14, greičiausiu Prancūzijos plaukimo istorijoje ir 1,79 sekundėmis prieš sidabro medalių laimėtojus Sun Yang ir Park Tae-hwan. Finale Agnel pirmavo nuo starto iki finišo, pirmąsias 100 metrų lenktynių metu užfiksavo 50,64 ir paskutinių 100 metrų lenktynių metu - 52,50 sekundes. Jo laikas 25,98 per paskutinius 50 metrų buvo greičiausias šioje srityje. Agnel laimėjo savo paskutinį medalį, sidabro medalį, 4 × 200 metrų laisvosios stiliaus štafeto lenktynėse už Jungtinių Valstijų su Amaury Leveaux, Grégory Mallet ir Clément Lefert. Finale jis buvo greičiausias tarp žaidėjų, jis įveikė 1:43.24 sekundę. Paskutinėje varžybose, 100 metrų laisvu stiliumi
, Agnel baigė ketvirtą asmeninį geriausią laiką 47.84, 0.04 s sekundės už medalių. Europos plaukimo federacija išrinko Agnel'ą 2012 m. geriausiu Europos plaukiotoju.