На летните олимпийски игри през 2012 г. Феликс участва в четири състезания:
100 метра, 200 метра, 4 × 100 метра и 4 × 400 метра, като се класира пета на 100 метра и печели злато в останалите три, като по този начин става първата американка, спечелила три златни медала в лека атлетика на Олимпийски игри след Флоренс Грифит-Джойнер на Летните олимпийски игри през 1988 г. В първия си финал, финала на 100 метра, тя се класира пета с личен рекорд от 10.89 секунди. Финалът на 200 метра, състезание, което тя губи два пъти на Летните олимпийски игри през 2004 и 2008 г. от ямайската съперничка Вероника Кембъл-Браун, се оказва успешният й трети опит, тъй като тя печели за 21.88 секунди, надминавайки натрупано поле, което включва Кембъл-Браун, олимпийската 100 метра златен медалист от 2012 г. Шели-Ан Фрейзър-Прайс, олимпийската 100 метра сребърна медалистка от 2012 г. Кармелита Джетър и олимпийската 400 метра златен медалист от 2012 г. Саня Ричардс-Рос. Феликс стартира от блоковете с изненадващо силен старт и беше на равенство с ямайските атлети, които излизаха от кривата, преди да се оттеглят в последните 50 метра, за да спечели дългоочаквания си индивидуален олимпийски златен медал. Шели-Ан Фрейзър-Прайс спечели сребърен, а американската сънародничка Кармелита Джейтър взе бронзовия медал.