Tulis kelanjutan untuk paragraf ini - Pada Olimpiade di London, Fraser-Pryce memenangkan 100 m panas dan semifinal dalam 11.00 s dan 10.85 s masing-masing. Dia maju ke final sebagai kualifikasi tercepat kedua di belakang Carmelita Jeter, yang berlari 10,83 detik di masing-masing putaran. Dalam final 100 m
, Fraser-Pryce adalah tercepat dari blok dengan Jeter dalam pengejaran dekat, dan dia akhirnya bersandar di garis finish untuk kemenangan tipis untuk mempertahankan gelarnya. Waktunya 10,75 s adalah yang tercepat kedua dalam sejarah Olimpiade pada saat itu, sementara balapan itu sendiri adalah final Olimpiade 100 m tercepat, menempatkan enam wanita di bawah 11 detik. Jeter meraih perak dengan waktu terbaik musim ini 10.78 s, waktu tercepat runner-up dalam sejarah Olimpiade, dan Campbell-Brown meraih perunggu dengan waktu 10.81 s. Dengan kemenangannya, Fraser-Pryce bergabung dengan orang Amerika Wyomia Tyus (1964, 1968) dan Gail Devers (1992, 1996) sebagai satu-satunya wanita yang mempertahankan gelar Olimpiade 100 m. Beberapa hari kemudian di final 200 m, Fraser-Pryce menurunkan rekor pribadinya menjadi 22,09 s. Namun, dia tidak dapat merombak Allyson Felix dari AS, yang mengambil emas dalam 21,88 s. Fraser-Pryce kemudian mendapatkan medali perak kedua dalam balapan 4 × 100 m, berlari bersama Campbell-Brown, Sherone Simpson dan Kerron Stewart. Waktu akhir mereka 41,41 s adalah rekor baru Jamaika, tetapi jauh di belakang rekor dunia Amerika Serikat 40,82 s.