Thomas einbeitti sér að hjólreiðum fyrir tímabilið 2012 og keppti á Ólympíuleikunum í London. Þannig var Giro d'Italia forgangsröðun hans áður en hann beindi sjónum sínum að brautinni. Í mars keyrði Thomas París-Nice, þar sem hann hjálpaði Bradley Wiggins að vinna. Þann 4. apríl var Thomas meðlimur í breska liðinu sem vann gull á heimsmeistaramóti UCI í hjólreiðum.
í Melbourne, með nýju heimsmetinu í 3:53.295 sekúndur. Hann vann einnig með Ben Swift í silfurverðlaununum í Madison. Thomas fór svo aftur á völlinn og sigraði á Tour de Romandie.