2012 m. Vasaros olimpinėse žaidynėse Felixas varžėsi keturiose lenktynėse: 100 metrų, 200 metrų, 4 × 100 metrų švaistoje
, ir 4 × 400 metrų štafeta, užėmė penktą vietą 100 metrų ir laimėjo auksą kitose trijose, taip tapdama pirmąja amerikiečių moterimi, laimėjusia tris auksus lengvosios atletikos olimpiadoje nuo Florencos Griffith-Joyner 1988 m. Vasaros olimpinėse žaidynėse. Per savo pirmąjį finalą, 100 metrų finalą, ji užėmė penktąją vietą, užpildydama asmeninį rekordą - 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.