Na poletnih olimpijskih igrah 2012 je Felix tekmoval na štirih dirkah: 100 metrov, 200 metrov,
4 × 100 metrov štafeta in 4 × 400 metrov štafeta, je bila peta na 100 metrov in osvojila zlato v drugih treh, s čimer je postala prva Američanka, ki je osvojila tri zlate medalje na atletiki na olimpijskih igrah od Florence Griffith-Joyner na poletnih olimpijskih igrah 1988. V svojem prvem finalu, finalu na 100 metrov, je bila peta s osebnim rekordom 10,89 sekunde. Na finalu 200 metrov, na kateri je dvakrat izgubila na poletnih olimpijskih igrah 2004 in 2008 proti jamajčanski tekmovalki Veronici Campbell-Brown, se je izkazala za njen uspešen tretji poskus, saj je zmagala v 21,88 sekunde, presegla polno polje, ki je vključevalo Campbell-Brown, olimpijsko zlato medaljko na 100 metrov leta 2012 Shelly-Ann Fraser-Pryce, srebrno medaljko na 100 metrov leta 2012 Carmelita Jeter in olimpijsko zlato medaljo na 400 metrov leta 2012 Sanya Richards-Ross. Felix je z presenetljivo močnim začetkom izstopil iz blokov in bil na enaki ravni z jamajškimi športniki, ki so prihajali iz krivulje, preden so se umaknili na zadnjih 50 metrih, da bi osvojili dolgo pričakovano individualno olimpijsko zlato medaljo. Shelly-Ann Fraser-Pryce je osvojila srebrno medaljo, Američanka Carmelita Jeter pa bronasto.