В 2012 году Франджилли принял участие в своих четвёртых Олимпийских играх. В индивидуальном первенстве Франджилли уже в первом раунде уступил украинцу Дмитрию Грачёву. В командном первенстве сборная Италии в квалификации показала лишь 6-й результат, но уверенная стрельба в плей-офф позволила итальянцам дойти до финала, где их соперниками стала сборная США. Перед последней серией из трёх выстрелов сборная Италии выигрывала всего одно очко. Первыми свои заключительные выстрелы выполняли спортсмены США. Американцы смогли выбить 27 очков. Итальянским лучникам для завоевания золотой медали необходимо было повторить этот результат. После двух выстрелов на счету итальянцев набралось 17 очков. Заключительный выстрел выполнял Микеле Франджилли и он смог набрать необходимые 10 очков, которые позволили сборной Италии впервые в истории выиграть командные соревнования лучников, а Франджилли стать олимпийским чемпионом.