Í Ólympíuleikunum í Lundúnum vann Fraser-Pryce 100 metra hiti og hálfleik í 11.00 og 10.85 sekúndum. Hún komst í úrslitaleikinn sem næsthraðasta keppandinn á eftir Carmelita Jeter, sem hljóp 10,83 sekúndur í hverri umferð sinni. Í 100 m úrslitakeppninni var Fraser-Pryce fljótlegast úr blokkunum með Jeter í náinni eltingu og hún hallaði sér að lokum á markinu fyrir þröngum sigri til að verja titilinn sinn. Tími hennar, 10,75 sekúndur, var næst hraðasti í sögu Ólympíuleikanna á þeim tíma, en hlaupið sjálft var hraðasta 100 m úrslitaleikur Ólympíuleikanna, þar sem sex konur voru undir 11 sekúndum. Jeter hlaut silfurverðlaun á 10.78 sekúndum, sem er hraðasti tími í sögu Ólympíuleikanna, og Campbell-Brown hlaut bronsverðlaun á 10.81 sekúndum. Með sigri sínum gekk Fraser-Pryce til liðs við Bandaríkjamennina Wyomia Tyus (1964, 1968) og Gail Devers (1992, 1996) sem eina konurnar til að verja ólympískt 100 m titil. Dögum seinna í 200 m úrslitum, Fraser-Pryce lækkaði persónulegt met hennar til 22.09 s. Hún náði þó ekki að vinna yfir Allyson Felix frá Bandaríkjunum, sem vann gullverðlaunin á 21,88 sekúndum. Fraser-Pryce hlaut síðar aðra silfurverðlaun í 4 × 100 m stafettunni
, ásamt Campbell Brown, Sherone Simpson og Kerron Stewart. Tíminn 41.41 sekúndur var nýr Jamaican met, en langt á eftir bandaríska heimsmetinu 40.82 sekúndur.