Lemaitre, setelah berkonsultasi dengan pelatihnya, memilih untuk tidak berkompetisi di 100 m di Olimpiade London 2012. Lemaitre hanya akan berpartisipasi dalam 200 m, di mana ia berada di peringkat keempat tahun itu, dan 4 × 100 m relay. Pelatihnya, Pierre Carraz, mengatakan: "Dalam hasil lebih dari 100m, Christophe hanya berada di peringkat ke-10 di antara mereka yang telah masuk. Lebih dari 200m, kita bisa berharap untuk medali. " Lemaitre menempati posisi keenam di final 200 m dengan waktu 20,19 s. Setelah final, dia berkata, "Saya memulai dengan sangat baik. Dan kemudian aku masih memiliki masalah ini di tikungan. Aku melakukan yang terbaik, tapi itu terlalu sulit. Aku finis keenam. Tidak banyak yang bisa dikatakan. Bagi saya, itu bukan final yang saya harapkan. " Dalam final 4 × 100 m relay
, Lemaitre memenangkan medali Olimpiade pertamanya, dengan timnya mengambil perunggu di belakang Jamaika (emas) dan Trinidad dan Tobago (perak).