Na Letnich Igrzyskach Olimpijskich w 2012 roku Felix rywalizował w czterech dyscyplinach: 100 metrów
, 200 metrów, sztafeta 4 × 100 metrów i sztafeta 4 × 400 metrów, zajęła piąte miejsce na 100 metrów i zdobyła złoto w pozostałych trzech, stając się tym samym pierwszą amerykańską kobietą, która zdobyła trzy złoto w lekkoatletyce na Igrzyskach Olimpijskich od czasu Florence Griffith-Joyner na Letnich Igrzyskach Olimpijskich w 1988 roku. W swoim pierwszym finale, na 100 metrów, zajęła piąte miejsce z osobistym rekordem 10,89 sekundy. Finał na 200 metrów, wyścig, w którym przegrała dwa razy na Letnich Igrzyskach Olimpijskich w 2004 i 2008 r. z jamajską rywalką, Veronicą Campbell-Brown, okazał się jej udanym trzecim wyścigiem, gdyż wygrała w czasie 21,88 sekund, wyprzedzając złożoną grupę, w skład której wchodziła Campbell-Brown, zdobywczyni złotego medalu olimpijskiego na 100 metrów 2012 roku Shelly-Ann Fraser-Pryce, zdobywczyni srebrnego medalu olimpijskiego na 100 metrów 2012 roku Carmelita Jeter i zdobywczyni złotego medalu olimpijskiego na 400 metrów 2012 roku Sanya Richards-Ross. Felix rozpoczął z bloków z zaskakująco silnym początkiem i był na równi z jamajskimi zawodnikami wychodzącymi z zakrętu, zanim wycofał się na ostatnich 50 metrów, aby zdobyć długo oczekiwany indywidualny złoty medal olimpijski. Shelly-Ann Fraser-Pryce zdobyła srebro, a amerykańska rodzina Carmelita Jeter zdobyła brąz.