Tulis kelanjutan untuk paragraf ini - Pada Olimpiade Musim Panas 2012 di London, Agnel memenangkan total tiga medali: dua emas dan satu perak. Dalam ajang pertamanya, Agnel melakukan come-from-behind dalam relai gaya bebas 4×100 meter untuk memenangkan emas bersama Amaury Leveaux, Fabien Gilot, dan Clément Lefert. Menyelam dengan defisit 0,55 detik, Agnel mampu memotongnya menjadi defisit 0,30 detik pada tanda 350 meter. Pada 50 meter terakhir, Agnel mengungguli Ryan Lochte dari Amerika dan Prancis menang dengan waktu 3:09:93 untuk waktu Amerika Serikat 3:10:38. Agnel berenang dengan waktu 46.74 detik, satu-satunya individu yang bisa menembus 47 detik. Keesokan harinya, Agnel memenangkan medali emasnya yang kedua dalam gaya bebas 200 meter dengan waktu 1:43.14, yang tercepat dalam sejarah renang Prancis dan 1,79 detik di depan pemenang medali perak Sun Yang dan Park Tae-hwan. Di final, Agnel memimpin dari awal sampai akhir, mencatat waktu 50,64 di 100 meter pertama dan 52,50 di 100 meter terakhir. Waktunya 25,98 untuk 50 meter terakhir adalah yang tercepat di lapangan. Agnel memenangkan medali terakhirnya, perak, dalam relai gaya bebas 4 × 200 meter di belakang Amerika Serikat dengan Amaury Leveaux, Grégory Mallet, dan Clément Lefert. Dia memiliki waktu split tercepat di lapangan di final dengan waktu 1:43.24 sebagai kaki jangkar. Dalam acara terakhirnya, 100 meter gaya bebas
Agnel menempati posisi keempat dengan waktu terbaik pribadi 47,84, 0,04 detik di luar medali. Federasi Renang Eropa menobatkan Agnel sebagai perenang pria Eropa tahun 2012.