Lemaitre, després de consultar amb el seu entrenador, va optar per no competir en els 100 metres als Jocs Olímpics de Londres 2012. Lemaitre només participà en els 200 m, en què va ser classificat quart aquell any, i en el releu de 4 × 100 m. El seu entrenador, Pierre Carraz, va dir: "En els resultats de més de 100 metres, Christophe només ocupa el 10è lloc entre els que han participat. A més de 200 metres, podem esperar una medalla". Lemaitre va acabar sisè en la final dels 200 metres en un temps de 20,19 s. Després de la final, va dir: "He començat molt bé. I encara tenia aquest problema a la curva. Vaig fer el que vaig poder, però era massa difícil. Vaig acabar sisena. No hi ha molt a dir. Per a mi, no era la final que esperava". En la final del releu de 4 × 100 m
Lemaitre va guanyar la seva primera medalla olímpica, amb el seu equip prenent el bronze darrere de Jamaica (or) i Trinidad i Tobago (argent).