Lemaitre, neuvotteli valmentajansa kanssa, ja kieltäytyi osallistumasta 100 metrin kilpailuun vuoden 2012 Lontoon olympialaisissa. Lemaitre osallistui vain 200 metrin kilpailuun, jossa hän sijoittui neljänneksi samana vuonna, ja 4 × 100 metrin ralliin. Hänen valmentajansa, Pierre Carraz, sanoi: "100 metrin tuloksissa Christophe on vain kymmenes niiden joukossa, jotka ovat osallistuneet. Voimme toivoa mitalia yli 200 metrin. Lemaitre tuli kuudenneksi 200 metrin finaalissa 20,19 sekunnin aikana. Hän sanoi finaalin jälkeen: "Aloitin hyvin. Ja sitten minulla oli vielä tämä ongelma mutkassa. Tein parhaani, mutta se oli liian vaikeaa. Olin kuudes. Ei ole paljon sanottavaa. En odottanut, että se päättyisi näin". 4 × 100 metrin risteilyfinaalissa
Lemaitre voitti ensimmäisen olympiamitalinsa, kun hänen joukkueensa otti pronssin Jamaikan (kulta) ja Trinidadin ja Tobagon (hopean) jälkeen.