Na olimpijskih igrah v Londonu je Fraser-Pryce zmagala na 100 m in v polfinalu v 11,00 s in 10,85 s. Do finala je prišla kot druga najhitrejša kvalifikacijska tekmovalka za Carmelito Jeter, ki je tekla 10,83 sekunde v vsakem od svojih krogov. V finalu na 100 m je bila Fraser-Pryce najhitrejša iz blokov z Jeterjem v tesnem zasledovanju in se je na koncu naslonila na ciljno črto za ozko zmago, da bi branila svoj naslov. Njen čas 10,75 s je bil drugi najhitrejši v olimpijski zgodovini v tistem času, medtem ko je bila tekma sama najhitrejša olimpijska 100 m finala, kjer je šest žensk pod 11 sekund. Jeter je osvojil srebro s najboljšim časom 10.78 s, kar je najhitrejši čas za drugo mesto v olimpijski zgodovini, Campbell-Brown pa je osvojil bronast medaljo s časom 10.81 s. S svojo zmago se je Fraser-Pryce pridružila Američanom Wyomiji Tyus (1964, 1968) in Gail Devers (1992, 1996) kot edine ženske, ki so obvarovale olimpijski naslov na 100 m. Nekaj dni pozneje je v finalu na 200 m Fraser-Pryce znižala svoj osebni rekord na 22,09 s. Ni pa uspela prehiteti Allyson Felix iz ZDA, ki je zlata osvojila s časom 21,88 sek. Fraser-Pryce je kasneje osvojila drugo srebrno medaljo v štafeti 4 × 100 m.
, ki teče ob Campbell-Brown, Sherone Simpson in Kerron Stewart. Njihov končni čas 41,41 sekunde je bil nov rekord Jamajke, vendar precej za svetovnim rekordom Združenih držav Amerike 40,82 sekunde.