Scrii o continuare pentru acest paragraf - La Jocurile Olimpice de vară din 2012 de la Londra, Agnel a câștigat un total de trei medalii: două de aur și una de argint. În primul său eveniment, Agnel a ancorat un efort de revenire din spate în ștafetă de 4 × 100 de metri stil liber pentru a câștiga aurul cu Amaury Leveaux, Fabien Gilot și Clément Lefert. Plonzându-se cu un deficit de 0,55 secunde, Agnel a fost capabil să-l reducă la un deficit de 0,30 secunde la marca de 350 de metri. În ultimele 50 de metri, Agnel a depășit pe americanul Ryan Lochte și Franța a câștigat cu un timp de 3:09:93 față de timpul Statelor Unite de 3:10:38. Agnel a înotat cel mai rapid timp de împărțire a întregului câmp cu un timp de 46,74, singura persoană care a rupt 47 de secunde. A doua zi, Agnel a câștigat a doua medalie de aur la 200 de metri stil liber cu un timp de 1:43.14, cel mai rapid din istoria înotului francez și cu 1,79 de secunde înaintea câștigătorilor medaliei de argint Sun Yang și Park Tae-hwan. În finală, Agnel a condus de la start până la final, înregistrând un timp de 50,64 în primele 100 de metri și 52,50 în ultimii 100 de metri. Timpul său de 25.98 pentru ultimii 50 de metri a fost de departe cel mai rapid din domeniu. Agnel și-a câștigat ultima medalie, o medalie de argint, în ștafeta de 4 × 200 de metri stil liber, în spatele Statelor Unite, alături de Amaury Leveaux, Grégory Mallet și Clément Lefert. El a avut cel mai rapid timp de împărțire a terenului în finală cu un timp de 1:43.24 ca picior de ancoră. În ultimul său eveniment, la 100 de metri stil liber
Agnel a terminat pe locul patru cu un timp personal de 47.84, 0.04 secunde dincolo de medalii. Federația Europeană de Înot l-a numit pe Agnel înotătorul european masculin al anului 2012.