Il commence les championnats du monde 2012 à Ruhpolding par une onzième place au relais mixte. Dernier relayeur, il prend le relais de son frère Simon loin des leaders en douzième position et remonte une place pendant son parcours. Deux jours plus tard, il devient champion du monde du sprint. Malgré deux fautes au tir tout comme son rival Svendsen, Martin Fourcade s'impose en raison d'un meilleur temps de ski et termine avec d'avance sur le Norvégien. Le lendemain, Fourcade part en tête de la poursuite fort de son avance issue du sprint. Auteur de quatre fautes au tir, il est à la lutte pour la victoire avec le Suédois Carl Johan Bergman à l'issue du dernier tir. Il distance le Suédois lors de l'avant-dernière ascension du parcours et s'impose en solitaire, remportant ainsi le doublé sprint-poursuite dans ces championnats. de l'individuel où Fourcade commet cinq fautes au tir, il est ensuite dernier relayeur lors de l'épreuve par équipes. Il aborde son relais en tête mais est rattrapé par le Norvégien Svendsen après deux fautes au premier tir. Le Norvégien le distance ensuite grâce à un sans-faute sur le dernier tir couplé à trois fautes du Français et permet ainsi au relais norvégien de s'imposer devant le relais français. Fourcade termine ces championnats du monde par une troisième victoire lors de la mass-start, devenant ainsi le troisième biathlète à remporter trois titres mondiaux en épreuves individuelles dans une même édition des championnats du monde après Raphaël Poirée en 2004 et Ole Einar Bjørndalen. Celui-ci le réalise à deux reprises, en 2005 et 2009, remportant également le relais masculin lors de ces deux éditions.