На Олимпийских играх 2012 года в Лондоне Мюффа также выступила в трёх видах программы. 29 июля Мюффа выиграла олимпийское золото на дистанции 400 метров вольным стилем с новым олимпийским рекордом (4.01,45), на 0,32 сек опередив в финале американку Эллисон Шмитт. 31 июля в финальном заплыве на дистанции 200 метров вольным стилем Мюффа стала второй, почти 2 секунды проиграв установившей олимпийский рекорд Шмитт, но на 0,23 сек опередив австралийку Бронте Барратт, ставшую третьей. 1 августа Камиль выступала в эстафете эстафете 4×200 м вольным стилем, где француженки в финале заняли третье место после сборных США и Австралии, установив при этом новый национальный рекорд (7.47,49). Вместе с Мюффа в финале плыли Шарлотта Бонне, Офели-Сирьель Этьенн и Корали Балми.