На летних Олимпийских играх 2012 года в Лондоне она проплыла с личным рекордом 57,42 секунды в полуфинале на дистанции 100 метров баттерфляем и вышла в финал. Там она проплыла за 57,48 балла и заняла седьмое место. «На самом деле моей целью было просто попасть в финал», — отметила она. «Так что я в восторге. Я так довольна тем, что у меня всё получилось». Позже на играх она выступала в предварительном раунде комбинированной эстафеты 4 по 100 метров и была заменена перед финальным раундом. Ее товарищи по команде выиграли финал эстафеты, и таким образом Донахью стала олимпийской чемпионкой.