2012. aasta suveolümpiamängudel võistles Felix neljas võistluses: 100 meetrit, 200 meetrit, 4 × 100 meetrit ja 4 × 400 meetrit, asudes viiendal kohal 100 meetrit ja võites kuldkaardid ülejäänud kolmes, saades seega esimeseks ameeriklaseks naiseks, kes võitis kolme kuldkaarti kergejõustikul olümpiamängudel alates Florence Griffith-Joynerist 1988. aasta suveolümpiamängudel. Tema esimeses finaalis, 100 meetri finaalis
, sai ta viienda koha 10.89 sekundiga. 200 meetri finaal, võistlus, mille ta kahel korral kaotas 2004. ja 2008. aasta suveolümpiamängudel jaamaikalise rivaali Veronica Campbell-Brown'ile, osutus tema edukaks kolmandaks katseks, sest ta võitis 21,88 sekundiga, ületades tihedat valdkonda, mis sisaldas Campbell-Brownit, 2012. aasta olümpiamängude 100 meetri kuldmedali võitjat Shelly-Ann Fraser-Pryce'i, 2012. aasta olümpiamängude 100 meetri hõbemedaali võitjat Carmelita Jeterit ja 2012. aasta olümpiamängude 400 meetri kuldmedali võitjat Sanya Richards-Rossit. Felix alustas hämmastavalt tugevalt ja oli võrdne Jamaika sportlastega, kes tuliid kurvist välja, enne kui ta tõmbas viimased 50 meetrit eemale, et võita oma kauaoodatud individuaalne olümpia kuldmedal. Shelly-Ann Fraser-Pryce võitis hõbeda ja Ameerika kaasmaalase Carmelita Jeter võitis pronssmedali.