Ai Campionati Europei di Debrecen 2012 conquista la medaglia d'argento nella staffetta 4x100 mista insieme ad Arianna Barbieri, Chiara Boggiatto ed Alice Mizzau e il 29 luglio 2012 stabilisce il nuovo record italiano, durante la finale dei 100 m farfalla ai Giochi Olimpici di con il tempo di 57'’27, gara nella quale ottiene il quinto posto finale, miglior risultato di sempre di una farfallista italiana alle Olimpiadi. Il 16 dicembre 2012 si laurea campionessa del mondo per la prima volta in carriera, vincendo la medaglia d'oro nei 100 farfalla ai campionati mondiali di nuoto in vasca corta, a Istanbul: diventa la prima nuotatrice italiana a vincere un titolo mondiale individuale in vasca corta.