Lemaitre, bere entrenatzailearekin kontsultatu ondoren, ez zen Londreseko 2012ko Olinpiar Jokoetan 100 metroko lasterketan parte hartuko. Lemaitre, beraz, 200 metroko lasterketan bakarrik parte hartuko zuen, urte horretan laugarren sailkatu zena, eta 4 × 100 metroko erreleboan. Bere entrenatzaileak, Pierre Carrazek, esan zuen: "100 metroko emaitzetan, Christophe hamargarren postuan dago. 200 metrotik gorakoarekin, espero dezagun domina bat lortzea". Lemaitre 6.a izan zen 200 metroko finalean, 20,19 segundoko denborarekin. Finalaren ondoren, esan zuen: "Oso ondo hasi naiz. Arazo bat neukan izkinan. Ahal nuena egin nuen, baina oso zaila izan zen. Seigarrena izan nintzen. Ez dago asko esateko. Niretzat, hori ez zen espero nuen amaiera". 4 × 100 m erreleboaren finalean
, Lemaitre bere lehen domina olinpikoa irabazi zuen, bere taldeak brontzea lortu zuen Jamaikako (urrea) eta Trinidad eta Tobagoko (zilarra) atzetik.