Scrivi una continuazione per questo paragrafo - Alle Olimpiadi estive del 2012 a Londra, Agnel ha vinto un totale di tre medaglie: due d'oro e una d'argento. Nel suo primo evento, Agnel ha ancorato uno sforzo di ritorno nella staffetta libera 4 × 100 metri per vincere l'oro con Amaury Leveaux, Fabien Gilot e Clément Lefert. Immergendosi con un deficit di 0,55 secondi, Agnel è stato in grado di ridurlo a un deficit di 0,30 secondi al segno dei 350 metri. Negli ultimi 50 metri, Agnel ha superato l'americano Ryan Lochte e la Francia ha vinto con un tempo di 3:09:93 contro il tempo degli Stati Uniti di 3:10:38. Agnel ha nuotato il tempo più veloce di tutto il campo con un tempo di 46.74, l'unico individuo a superare i 47 secondi. Il giorno successivo, Agnel ha vinto la sua seconda medaglia d'oro nei 200 metri stile libero con un tempo di 1:43.14, il più veloce nella storia del nuoto francese e 1,79 secondi davanti ai vincitori della medaglia d'argento Sun Yang e Park Tae-hwan. Nella finale, Agnel ha guidato dalla partenza al traguardo, registrando un tempo di 50,64 nei primi 100 metri e 52,50 negli ultimi 100 metri. Il suo tempo di 25.98 per gli ultimi 50 metri è stato di gran lunga il più veloce in campo. Agnel ha vinto la sua ultima medaglia, una medaglia d'argento, nella staffetta libera 4 × 200 metri dietro gli Stati Uniti con Amaury Leveaux, Grégory Mallet e Clément Lefert. Ha avuto il tempo più veloce del campo nella finale con un tempo di 1:43.24 come gamba di ancoraggio. Nel suo ultimo evento, i 100 metri stile libero
Agnel ha chiuso quarto con un tempo personale di 47.84, 0.04 secondi al di fuori delle medaglie. La Federazione Europea di Nuoto ha nominato Agnel nuotatore maschile europeo dell'anno 2012.