Den olympiske 100 m-finale i 2012 var det hurtigste olympiske løb nogensinde: syv mænd under ti sekunder. Bolt vandt i 9,63 sekunder og blev fulgt af Yohan Blake. Gays løb på 9,80 betød, at han gik glip af en bronzemedalje med en hundrededel af et sekund til landsmanden Justin Gatlin. Gay var synligt ked af at han ikke nåede det olympiske podium og græd under interviewet efter løbet og sagde: "Jeg følte, at jeg løb med feltet, og jeg kom bare kort". Stafiefinale
Gay bragte sin første olympiske medalje og en amerikansk rekordtid på 37,04 sekunder sammen med Trell Kimmons, Gatlin og Ryan Bailey. På trods af at amerikanerne havde slået den tidligere verdensrekord, vandt de sølvmedaljen bag Jamaica, hvis hold forbedrede den rekord med to tiendedele af et sekund. Han blev dog senere frataget denne medalje efter at have fejlet en dopingtest i 2013; Dette kostede også resten af relayholdet deres medaljer. I de sidste to Diamond League 100 m løb, løb han 9,83 som runner-up på Athletissima møde, hvor Yohan Blake udlignet Gay personlige bedste tid, og falsk start på Weltklasse 100 m serie finale.