Kirjoita jatkossa tähän kappaleeseen - Felix kilpaili vuoden 2012 kesäolympialaisissa neljässä kilpailussa: 100 metriä, 200 metriä, 4 × 100 metriä ja 4 × 400 metriä. Hän sijoittui viidenneksi 100 metriä ja voitti kultaa muissa kolmessa. Hänestä tuli ensimmäinen amerikkalainen nainen, joka voitti kolme kultaa urheilussa olympialaisissa Florence Griffith-Joynerin jälkeen kesäolympialaisissa 1988. Ensimmäisessä finaalissa, 100 metrin finaalissa
, hän sijoittui viidenneksi 10.89 sekunnin henkilökohtaisen parhaan. 200 metrin finaali, jossa hän hävisi kahdesti kesäolympialaisissa 2004 ja 2008 jamaikalaiselle kilpailijalleen Veronica Campbell-Brownille, osoittautui hänen menestyksekkääksi kolmanneksi yrityksekseen, kun hän voitti 21,88 sekunnissa, ylittäen kasautuneen kentän, johon kuului Campbell-Brown, vuoden 2012 olympialaisten 100 metrin kultamitalisti Shelly-Ann Fraser-Pryce, vuoden 2012 olympialaisten 100 metrin hopeamitalisti Carmelita Jeter ja vuoden 2012 olympialaisten 400 metrin kultamitalisti Sanya Richards-Ross. Felix aloitti hämmästyttävän vahvasti ja oli samassa pisteessä jamaikalaisten urheilijoiden kanssa, ennen kuin hän vetäytyi viimeisiltä 50 metristä saadakseen pitkään odotetun olympiakultaa. Shelly-Ann Fraser-Pryce voitti hopeamitalin ja amerikkalainen maanmieheni Carmelita Jeter otti pronssimitalin.