En los Juegos Olímpicos de Londres 2012 se clasificó para la final de los 800 m libre, había conseguido el tercer mejor registro en las eliminatorias, 8:23,84. En la final, Ledecky dio un gran espectáculo en la piscina al ganar la medalla de oro con un tiempo de 8:14,63, era el segundo tiempo más rápido de todos los tiempos, por detrás del récord mundial de Rebecca Adlington (8:14,10) conseguido en 2008. También batió el récord de Estados Unidos que tenía Janet Evans con 8:16,22 desde 1989.