Tijdens de Olympische Zomerspelen 2012 in Londen veroverde Lochte de gouden medaille bij het onderdeel 400m wisselslag. Bij het estafetteonderdeel 4× 100m vrije slag won Lochte samen met Michael Phelps, Cullen Jones en Nathan Adrian de zilveren medaille. In de laatste 50m werd de leidende positie verloren aan het Franse team die de gouden medaille wonnen. Op de derde dag viel hij buiten de prijzen met een vierde plaats op de 200 meter vrije slag. Op de 4×200m vrije slag kon Lochte zich verzekeren van een tweede gouden medaille op de Spelen. De Amerikaanse estafetteploeg met Lochte, Conor Dwyer, Ricky Berens en Michael Phelps bouwde al vroeg in de wedstrijd een voorsprong uit op de rechtstreekse concurrenten, won de wedstrijd met een tijd onder de zeven minuten en nam zo weerwraak op het Franse estafetteteam voor het verlies van de gouden medaille in de 4× 100m vrije slag. Op de zesde dag van het toernooi zwom Lochte zijn laatste twee finales, slechts 30 minuten na elkaar. Eerst werd hij verrassend derde op de 200 meter rugslag, het nummer waarop hij zijn titel verdedigde. Vervolgens won hij zilver op de 200 meter wisselslag. Dit betekende dat hij voor de derde Spelen op rij een medaille won op dit onderdeel. Lochte sloot het toernooi af met 5 medailles, waaronder 2 gouden. Op de wereldkampioenschappen kortebaanzwemmen 2012 in Istanboel werd de Amerikaan wereldkampioen op de 200 meter vrije slag en de 100 en 200 meter wisselslag, daarnaast veroverde hij de zilveren medaille op de 200 meter rugslag en de bronzen medaille op de 100 meter vlinderslag. Op de 4×100 meter vrije slag veroverde hij samen met Anthony Ervin, Jimmy Feigen en Matt Grevers de wereldtitel, samen met Conor Dwyer, Michael Klueh en Matt McLean werd hij wereldkampioen op de 4×200 meter vrije slag. Op de 4×100 meter wisselslag legde hij samen met Matt Grevers, Kevin Cordes en Thomas Shields beslag op de wereldtitel.