2012 m. Vasaros olimpinėse žaidynėse Felixas varžėsi keturiose lenktynėse: 100 metrų, 200 metrų, 4 × 100 metrų švaisto ir 4 × 400 metrų švaisto, užėmė penktąją vietą 100 metrų lenktynėse ir laimėjo auksą kitose trijose, taip tapdama pirmąja amerikiečių moterimi, laimėjusia tris aukso medalius lengvosios atletikos olimpiadoje nuo 1988 m. Vasaros olimpinėse žaidynėse Florens Griffith-Joyner. Pirmojoje finalo rungtynėse
100 metrų finale ji užėmė penktąją vietą, savo asmeninį rekordą pasiekusi 10,89 sekundės. 200 metrų finale, kurią ji du kartus pralaimėjo 2004 m. ir 2008 m. vasaros olimpinėse žaidynėse Jamaikos varžovei Veronikai Campbell-Brown, pasirodė, kad tai buvo jos sėkmingas trečiasis bandymas, nes ji laimėjo per 21,88 sekundes, pralenkdama užpilstytą lauką, kuriame buvo Campbell-Brown, 2012 m. Olimpinės 100 metrų aukso medalio laimėtoja Shelly-Ann Fraser-Pryce, 2012 m. Olimpinės 100 metrų sidabro medalio laimėtoja Carmelita Jeter ir 2012 m. Olimpinės 400 metrų aukso medalio laimėtoja Sanya Richards-Ross. Felixas pradėjo staigiai ir buvo lygus Jamaikos sportininkams, kai jie išėjo iš kreivės, o paskutiniuose 50 metrų atstumuose atsidūrė ir laimėjo ilgai lauktą individualų olimpinį aukso medalį. Shelly-Ann Fraser-Pryce laimėjo sidabro medalį, o amerikietė Carmelita Jeter - bronzinį.