Bij haar tweede olympische deelname op de Spelen van 2012 in Londen bleef Molitor tegen de top aanhangen. Terwijl haar landgenotes Obergföll (zilver met 65,16) en Stahl (brons met 64,91) achter winnares Špotáková (goud met 69,55) beiden het podium haalden, werd zij zesde. Kort daarvoor was iets dergelijks haar op de EK in Helsinki ook al overkomen. Achter winnares Vira Rebryk uit Oekraïne, die met een worp van 66,86 een nationaal record vestigde, hadden Obergföll en Stahl met respectievelijk 65,12 en 63,69 de twee overige podiumplaatsen bezet. Met 60,99 was Molitor niet verder gekomen dan de vijfde plaats. De rangorde binnen het Duitse speerwerpkamp stond vast: Molitor was en bleef voorlopig de derde Duitse werpster van het land.