Fuldfør følgende sætning: Ved sommer-OL i London i 2012 vandt Agnel i alt tre medaljer: to guldmedaljer og en sølvmedalje. I sin første begivenhed forankrede Agnel en come-from-behind-indsats i 4×100-meter freestyle-relay for at vinde guld med Amaury Leveaux, Fabien Gilot og Clément Lefert. Agnel var i stand til at skære det ned til et underskud på 0,30 s ved 350-meter-mærket. I de sidste 50 meter tog Agnel foran amerikaneren Ryan Lochte og Frankrig vandt med en tid på 3:09:93 til USA's tid på 3:10:38. Agnel svømmede den hurtigste splittid i hele feltet med en tid på 46,74, den eneste person til at bryde 47 sekunder. Næste dag vandt Agnel sin anden guldmedalje i 200 meter freestyle med en tid på 1:43.14, den hurtigste i fransk svømningshistorie og 1,79 sekunder foran sølvmedaljevinder Sun Yang og Park Tae-hwan. I finalen førte Agnel fra start til mål, og registrerede en tid på 50,64 i de første 100 meter og 52,50 i de sidste 100 meter. Hans tid på 25,98 for de sidste 50 meter var langt den hurtigste på banen. Agnel vandt sin sidste medalje, en sølvmedalje, i 4×200-meter freestyle-stafetten bag USA med Amaury Leveaux, Grégory Mallet og Clément Lefert. Han havde den hurtigste splittid i finalen med en tid på 1:43,24 som ankerbenet. I sin sidste kamp,
Agnel sluttede som fjerde i 100 meter freestyle med en personlig bedste tid på 47,84, 0,04 s af et sekund uden for medaljerne. Den Europæiske Svømmeforbund udnævnt Agnel mandlige europæiske svømmer af året 2012.