В 2012 году Несполи принял участие в своих вторых Олимпийских играх. В индивидуальном первенстве Несполи в квалификации занял 11-е место и в первом раунде встретился с лучником из Тайваня. В командном первенстве сборная Италии с Несполи в составе в квалификации показала лишь 6-й результат, но уверенная стрельба в плей-офф позволила итальянцам дойти до финала, где их соперниками стала сборная США. В напряжённой борьбе итальянцы всего на одно очко смогли опередить американскую команду, что позволило сборной Италии впервые в истории выиграть олимпийские командные соревнования лучников, а Мауро Несполи завоевать свою первую золотую олимпийскую медаль.