W sezonie 2012 Bryanowie zostali finalistami turnieju Australian Open, w finale którego przegrali z Leanderem Paesem oraz Radkiem Štěpánkiem. Podczas French Open również doszli do finału, w którym przegrali z Maksem Mirnym i Danielem Nestorem. Na Wimbledonie dotarli do półfinału, w którym przegrali z triumfatorami, Jonathanem Marrayem i Frederikiem Nielsenem. W turnieju rangi ATP World Tour 250 w Londynie także osiągnęli finał, w którym przegrali z Mirnym i Nestorem. Razem z bratem zdobyli złoty medal igrzysk olimpijskich z Londynu (2012) w grze podwójnej. W meczu finałowym pokonali debel Michaël Llodra-Jo-Wilfried Tsonga wynikiem 6:4, 7:6(2). Oprócz tego zwyciężyli jeszcze w Sydney, Monte Carlo, Nicei i Toronto. We wrześniu Bob Bryan wywalczył dwunasty tytuł wielkoszlemowy, na US Open, po zwycięstwie w finale 6:3, 6:4 nad Leanderem Paesem i Radkiem Štěpánkiem.