Thomas es va centrar en el ciclisme de pista per a la temporada 2012, competint als Jocs Olímpics d'estiu de Londres. Com a tal, el Giro d'Itàlia era la seva prioritat en les carreres de carretera, abans de centrar-se en la pista. Al març, Thomas va anar a París-Niça, on va ajudar Bradley Wiggins a guanyar la general. El 4 d'abril, Thomas va ser membre de l'equip de persecució britànic que va guanyar l'or al Campionat del Món de Ciclisme en pista de la UCI
a Melbourne, amb un nou rècord mundial de 3:53.295 segons. També es va unir a Ben Swift per prendre la medalla de plata en la madison. Thomas després va tornar a la carretera, guanyant el pròlogu del Tour de Romandie.