En els Jocs Olímpics d'estiu de 2012, Felix va competir en quatre esdeveniments: 100 metres, 200 metres, 4 × 100 metres i 4 × 400 metres, ocupant el cinquè lloc en els 100 metres i guanyant l'or en els altres tres, convertint-se així en la primera dona nord-americana en guanyar tres ores en atletisme en un Jocs Olímpics des de Florence Griffith-Joyner als Jocs Olímpics d'estiu de 1988. En la seva primera final, la final dels 100 metres
, va quedar cinquè amb una millor marca personal de 10.89 segons. La final de 200 metres, una cursa que va perdre dues vegades als Jocs Olímpics d'estiu de 2004 i 2008 a la rival jamaicana, Veronica Campbell-Brown, va resultar ser el seu tercer intent d'èxit, ja que va guanyar en 21,88 segons, superant un camp empillat que incloïa a Campbell-Brown, Shelly-Ann Fraser-Pryce, medallista d'or olímpica de 100 metres de 2012, Carmelita Jeter, medallista de plata de 100 metres de 2012 i Sanya Richards-Ross, medallista d'or de 400 metres de 2012. Félix va sortir dels blocs amb un sorprenent començament fort i va estar a la paritat amb els atletes jamaicans que sortien de la corba abans de retirar-se en els últims 50 metres per aconseguir la seva medalla d'or individual olímpica tant esperada. Shelly-Ann Fraser-Pryce va guanyar la medalla de plata i la compatriota nord-americana Carmelita Jeter va guanyar la medalla de bronze.