I USA-mesterskapet i friidrett innendørs 2012 i februar kom Gatlin på 2.-plass, bak Trell Kimmons. Gatlin tok gull på 60 meter i VM i friidrett innendørs 2012 i Istanbul, foran Nesta Carter og Dwain Chambers. Han løp på 6,46. Han vant Diamond League-stevnene i Doha og Eugene, og kom på 2.-plass i Paris. Han vant USA-mesterskapet i friidrett 2012, som også var OL-uttak, med ny personlig rekord på 9,80 sekunder. I sommer-OL 2012 i London kom han på 3.-plass i finalen, bak Usain Bolt, som satte ny olympisk rekord med 9,63, og Yohan Blake, som tangerte sin personlige rekord på 9,79. Gatlin satte selv personlig rekord med tiden 9,79 sekunder.