Í sumarólympíuleikunum árið 2012 keppti Felix í fjórum greinum:
4 × 100 metra stafett, og 4 × 400 metra stafett, í fimmta sæti á 100 metrum og vann gull í hinum þremur, þannig að verða fyrsta bandaríska konan til að vinna þrjú gull í íþróttum á Ólympíuleikum síðan Florence Griffith-Joyner á Ólympíuleikum 1988. Í fyrsta úrslitakeppni sinni, 100 metra úrslitakeppninni, varð hún í fimmta sæti með 10.89 sekúndur. 200 metra úrslitin, hlaup sem hún tapaði tvisvar á Ólympíuleikunum 2004 og 2008 fyrir Veronica Campbell-Brown frá Jamaíka, reyndist árangursrík þriðja tilraun hennar þar sem hún vann á 21,88 sekúndum, þar sem hún sigraði staflaðan svið sem innihélt Campbell-Brown, 2012 Ólympíuleikana 100 metra gullverðlaunahafann Shelly-Ann Fraser-Pryce, 2012 Ólympíuleikana 100 metra silfurverðlaunahafann Carmelita Jeter og 2012 Ólympíuleikana 400 metra gullverðlaunahafann Sanya Richards-Ross. Felix hleypti út úr blokkunum með á óvart sterka byrjun og var á pari við Jamaican íþróttamenn koma út af beygju áður en draga burt í síðustu 50 metra til að ná langþráð einstaklings Ólympíuleik gullverðlaun. Shelly-Ann Fraser-Pryce hlaut silfur og bandaríska landsmenn Carmelita Jeter tók bronsverðlaunin.