Il 2012 è l'anno del ritorno alla vittoria, durante i Campionati europei di Debrecen, sempre sotto la guida tecnica del suo allenatore Claudio Rossetto che nel frattempo ha fatto anche di Federica Pellegrini una sua atleta, vince due medaglie d'oro nei 100 metri s.l. e nella staffetta 4x100 mista, la quale è la prima in assoluto nella storia dei Campionati europei di nuoto e due medaglie d'argento rispettivamente con le staffette 4x100 e 4x200 stile libero. Nelle Olimpiadi di Londra 2012 invece non ottiene nessuna prestazione di rilievo. Nel dicembre del 2012 partecipa ai Campionati mondiali in vasca corta di Istanbul in cui ottiene un argento nella staffetta 4x100 m stile libero.