Schmitt voitti Lontoon kesäolympialaisissa 2012 yhteensä viisi mitalia: kolme kultaa, yksi hopeaa ja yksi pronssia. Schmitt voitti pronssin Missy Franklinin, Jessica Hardyn ja Lia Nealin kanssa, ja USA:n joukkue pääsi kolmanneksi Australian ja Alankomaiden naisten risteilyjoukkueiden jälkeen. Schmittin ankkurijalka oli 53,54 sekuntia ja joukkue pääsi kokoon 3:34,24:n aikaan, joka on amerikkalainen ennätys. Schmitt voitti uransa ensimmäisen yksilöllisen olympiamitalin, hopeamitalin, 400 metrin vapaasti juoksemisessa, ja asetti siten tapahtuman amerikkalaisen ennätyksen. Hänen aika 4:01.77 oli vain 0,32 sekuntia voittaja Camille Muffat. Schmitt voitti toisen ja viimeisen yksittäisen kilpailun, 200 metrin vapaasti, ja asetti uuden olympiakilpailun ennätyksen 1:53.61, joka oli myös uusi amerikkalainen ennätys. Kilpailussa Schmitt voitti Muffatin 1,97 sekunnin etumatkalla. 4x200 metrin vapaasti renkaat
Schmitt voitti toisen kultansa ohittamalla australialaisen Alicia Couttsin ja johtaen 1: 54.09: n jakamalla ankkurijalka. Myös voittaneessa 4 × 200 metrin risteilyjoukkueessa olivat Missy Franklin, Dana Vollmer ja Shannon Vreeland. Schmitt voitti viimeisessä kilpailussa, 4×100 metrin risteyksessä, kultaa Missy Franklinin, Rebecca Sonin ja Dana Vollmerin kanssa. Uimalla freestyle-vaiheessa Schmitt teki 53,25:n ajan, ja amerikkalaisjoukkue asetti maailmanennätyksen 3:52,05:n ajan, parantaen kiinalaisten omistamaa ennätystä 3:52,19, joka asetettiin vuonna 2009.