En 2012, se centró en la pista con el objetivo de los Juegos Olímpicos de Londres. Después de ayudar a Bradley Wiggins a ganar París-Niza, participó en abril en los campeonatos mundiales en pista. Ganó la medalla de oro en la persecución por equipos al establecer un nuevo récord mundial en 3'53"29, con Edward Clancy, Steven Burke y Peter Kennaugh. Se une a Ben Swift para la medalla de plata en madison y ocupa el quinto lugar en el torneo de persecución individual. De vuelta en la carretera a finales de abril, ganó el prólogo del Tour de Romandía. El líder de Sky, Bradley Wiggins, toma el maillot amarillo al día siguiente y gana la clasificación general. En el Giro de Italia, Geraint Thomas es el segundo en el prólogo detrás de Taylor Phinney. Ayuda a Mark Cavendish a ganar tres etapas y es segundo nuevamente en la contrarreloj, en la etapa final, esta vez vencido por Marco Pinotti. Para no disminuir sus posibilidades de brillar en los Juegos Olímpicos, abandona la lucha por el Tour de Francia, en el que Bradley Wiggins se convierte en el primer corredor británico en ganar.