Anche il 2012 per Scozzoli comincia molto bene, e il 22 maggio ai campionati europei conquista la medaglia d'oro nei 100 m rana con il tempo di 1'00"55, precedendo l'ucraino Valeriy Dymo e l'altro nuotatore azzurro Mattia Pesce. Il 26 maggio conquista l'argento nei 50 m rana ed infine, il giorno successivo, giornata di chiusura dei Campionati europei, regala all'Italia, insieme a Mirco Di Tora, l'esordiente Matteo Rivolta e Filippo Magnini la prima medaglia d'oro in assoluto nella staffetta 4x100 mista nella storia della manifestazione. Alle Olimpiadi di Londra 2012 (fine luglio) ottiene solo un settimo posto nei 100 m rana maschili dopo essersi qualificato in finale con il secondo miglior tempo. Dopo la delusione olimpica si riprende in fretta e finisce l'annata in crescendo: il 13 dicembre 2012 si laurea campione del mondo per la prima volta nella sua carriera, vincendo la medaglia d'oro nei 100 metri rana maschili ai campionati mondiali di nuoto in vasca corta, a Istanbul: con questa vittoria Fabio Scozzoli entra nella storia del nuoto italiano, diventando il primo nuotatore italiano a vincere una medaglia d'oro individuale in una rassegna iridata in vasca corta.