Nell'aprile 2012 partecipa ai campionati del mondo su pista di Melbourne, vincendo due titoli iridati, nell'omnium e, in squadra con Danielle King e Joanna Rowsell, nell'inseguimento (le britanniche stabiliscono anche il record del mondo, 3'16"850, migliorato in finale, 3'15"720). In estate prende quindi parte ai Giochi olimpici di Londra. Al London Velopark, davanti al pubblico di casa, non delude le attese, e nell'arco di tre giorni ottiene due medaglie d'oro, nell'inseguimento a squadre e nell'omnium. Come già ai campionati del mondo, a Londra Trott, King e Rowsell stabiliscono il primato del mondo dell'inseguimento – già lo detenevano – portandolo prima a 3'15"669, poi a 3'14"682 e infine a 3'14"051. Nell'omnium Trott riesce invece solo nell'ultima prova, la 500 metri a cronometro, a superare Sarah Hammer e a ottenere l'oro.