Vuoden 2012 olympialaisten 100 metrin finaali oli kaikkien aikojen nopein olympialaisten kilpailu: seitsemän miestä alle kymmenen sekuntia. Bolt voitti 9,63 sekunnissa, ja häntä seurasi Yohan Blake. Gayn 9,80-korkeus tarkoitti, että hän jäi bronssimitalista väliin yhdellä sadasosalla sekunnissa maanmiehensä Justin Gatlinille. Gay oli selvästi järkyttynyt siitä, ettei hän päässyt olympiapodiumille, ja hän itki kilpailun jälkeisessä haastattelussa sanoen: "Tuntui kuin olisin juossut kentän kanssa ja tulin vain lyhyeksi". Jälkifinaali
Gay voitti ensimmäiset olympiamitalinsa ja Amerikan ennätyksen 37,04 sekunnissa - Trell Kimmonsin, Gatlinin ja Ryan Baileyn rinnalla. Vaikka amerikkalaiset olivat tasapainottaneet edellisen maailmanennätyksen, he saivat hopeamitalin Jamaikan jälkeen, jonka joukkue paransi tätä ennätystä kaksi kymmenesosaa sekuntia. Myöhemmin hän kuitenkin menetti tämän mitalin, kun hän epäonnistui huumeiden testissä vuonna 2013. Tämä maksoi myös muille risteilyjoukkueelle heidän mitaalinsa. Kahdessa viimeisessä Diamond League 100 m kilpailuissa hän juoksi 9.83 kuin juoksija-up on Athletissima kohtaa, jossa Yohan Blake yhtenevät Gay henkilökohtainen paras aika, ja väärä aloitti Weltklasse 100 m sarjan finaali.