Viết tiếp cho đoạn này - Tại Thế vận hội Mùa hè 2012 ở London, cô lại phá vỡ kỷ lục của Mỹ và lập kỷ lục Olympic với thời gian 56,25 giây trong vòng loại bướm 100 mét. Trong trận chung kết bơi bướm 100 mét, cô đã giành huy chương vàng và lập kỷ lục thế giới mới với thời gian 55,98. Vollmer cũng thi đấu trong cuộc thi tiếp sức tự do 4 × 200 mét
. Cô đã bơi phần hai với thời gian 1:56.02, khi đội tuyển Hoa Kỳ giành huy chương vàng với thời gian 7:42.92. Trong sự kiện cuối cùng của mình, đợt tiếp sức hỗn hợp 4 × 100 mét, Vollmer đã giành được một huy chương vàng khác với Missy Franklin, Rebecca Soni và Allison Schmitt. Bơi chân bướm, Vollmer đã ghi lại thời gian chia 55,48, khi đội tuyển Hoa Kỳ lập kỷ lục thế giới mới với thời gian 3:52.05, cải thiện kỷ lục trước đó là 3:52.19 do Trung Quốc thiết lập vào năm 2009.