28 июля 2012 года в лондонском Центре водных видов спорта 20-летняя Кэмпбелл стала олимпийской чемпионкой после участия в составе сборной Австралии в финальном заплыве эстафеты 4 по 100 метров вольным стилем. Австралийки Алишия Куттс, Кейт Кэмпбелл, Бриттани Элмсли и Мелани Шлангер победили с олимпийским рекордом (3:33,15), на 0,64 сек опередив нидерландок и на 1,09 сек американок, установивших национальный рекорд. Кэмпбелл на своём этапе показала результат 53,19 сек, лучший среди всех плывших на втором этапе.