ב-2012 באולימפיאדת הקיץ בלונדון, היא שוב שברה את השיא האמריקאי שלה והקימה שיא אולימפי עם זמן של 56.25 שניות במטר הפרפר שלה
סיבוב סיבוב. בגמר של 100 מטר פרפר, היא זכתה במדליית זהב והקמה שיא עולם חדש עם הזמן שלה של 55.98. וולמר התחרה גם באסלה חופשית של 4×200 מטר. היא שחה את המסלול השני עם זמן של 1:56.02, כאשר נבחרת ארה"ב זכתה בזהב עם זמן של 7:42.92. באירוע הסופי שלה, המפגש 4 × 100 מטר, פולמר זכתה בזהב נוסף עם מיסי פרנקלין, רבקה סוני ואליסון שמידט. בשחייה ברגל הפרפר, פולמר הקליט זמן חלוק של 55.48, כאשר הקבוצה האמריקאית הקימה שיא עולמי חדש עם זמן של 3:52.05, ושיפרה את השיא הקודם של 3:52.19 שהוקם על ידי סין בשנת 2009.