2012. aasta olümpiamängude 100 meetri finaal oli kõige kiirem olümpiamängud: seitse meest vähem kui kümme sekundit. Bolt võitis 9,63 sekundiga ja Yohan Blake järgnes talle. 9.80 tähendab, et ta jäi bronsimedaali sajakümnendiku sekundi võrra maha oma kaasmaalase Justin Gatlini eest. Gay oli nähtavalt endast väljas, et ta ei jõudnud olümpiapodiumile ja nuttis pärast võistlust intervjuus, öeldes: "Ma tundsin, et ma jooksin koos valdkonnaga ja ma lihtsalt jäin lühikeseks". Staleefinaal
Gay tõi oma esimese olümpiamedaali ja Ameerika rekordi aja 37,04 sekundit koos Trell Kimmonsiga, Gatliniga ja Ryan Baileyga. Hoolimata eelmise rekordi võrdnemisest võitsid ameeriklased hõbedamedaali Jamaika järel, kelle meeskond parandas seda rekordi kahe kümnendise sekundi võrra. Kuid hiljem võeti temalt see medal pärast seda, kui ta 2013. aastal narkotesti ei läbinud; see maksis ka ülejäänud stafetirühma medalid. Viimastel kahel Diamond League 100 m võistlusel jooksis ta 9.83 sekundit Athletissima võistlusel, kus Yohan Blake võrdus Gay'i isikliku parima ajaga, ja vale algus Weltklasse 100 m seeria finaalis.