En 2012, Peter Kennaugh se concentre sur la piste, en vue des Jeux olympiques de Londres. Il participe en avril aux championnats du monde sur piste à Melbourne en Australie. Il y remporte la médaille d'or de la poursuite par équipes en établissant un nouveau record du monde en , avec Edward Clancy, Steven Burke et Geraint Thomas. En mai, il dispute pour la deuxième fois le Tour d'Italie. Aux Jeux olympiques, Peter Kennaugh forme l'équipe britannique de poursuite par équipes, avec Steven Burke, Ed Clancy et Geraint Thomas. Le , ils établissent un nouveau record du monde en lors du premier tour de compétition, et se qualifient en finale. Ils y battent les Australiens de trois secondes, avec un nouveau record du monde de . Ce titre lui vaut d'être nommé membre de l'Ordre de l'Empire britannique. Il est également le premier coureur originaire de l'Île de Man à remporter l'or olympique (le rameur Sidney Swann 1912).