Skriv en fortsættelse til dette afsnit - Ved OL i London vandt Fraser-Pryce sin 100 m heat og semifinalen i henholdsvis 11.00 s og 10.85 s. Hun gik videre til finalen som den næsthurtigste kvalificerende bag Carmelita Jeter, der kørte 10,83 s i hver af sine respektive runder. I 100 m-finalen
Fraser-Pryce var hurtigst fra blokkene med Jeter i tæt forfølgelse, og hun til sidst lænede sig på mållinjen for en smal sejr for at forsvare sin titel. Hendes tid på 10,75 s var den næsthurtigste i olympisk historie på det tidspunkt, mens selve løbet var den hurtigste olympiske 100 m-finale, hvor seks kvinder blev placeret under 11 sekunder. Jeter vandt sølv i en sæson bedste 10.78 s, den hurtigste runner-up tid i OL historie, og Campbell-Brown tjente bronze i 10.81 s. Med sin sejr sluttede Fraser-Pryce sig til amerikanerne Wyomia Tyus (1964, 1968) og Gail Devers (1992, 1996) som de eneste kvinder til at forsvare en olympisk 100 m titel. Dage senere i 200 m finalen, sænkede Fraser-Pryce sin personlige rekord til 22,09 s. Men hun kunne ikke overhale Allyson Felix fra USA, der vandt guld i 21,88 s. Fraser-Pryce vandt senere en anden sølvmedalje i 4 × 100 m stafetten, hvor hun løb sammen med Campbell-Brown, Sherone Simpson og Kerron Stewart. Deres sluttid på 41,41 sekunder var en ny jamaicansk rekord, men langt bag USA's verdensrekord på 40,82 sekunder.