In Hangzhou prolongeerde Barshim in 2012 zijn Aziatische indoortitel; in de finale bracht hij het Aziatisch indoorrecord op 2,37. Op de WK indoor in Istanboel eindigde de Qatarees vervolgens op de negende plaats.Tijdens de Olympische Spelen in Londen veroverde hij daarna voor het eerst op een mondiaal seniorentoernooi eremetaal bij het hoogspringen in de vorm van een bronzen medaille. Wel moest hij deze delen met de Brit Robert Grabarz en de Canadees Derek Drouin. Van de zes hoogspringers die in Londen allen de hoogte van 2,29 hadden overbrugd, waren zij de drie die hier al bij hun eerste poging in waren geslaagd en die ook hun vorige pogingen in één keer zagen lukken.Een aantal weken na de Spelen won Barshim de Diamond Leaguewedstrijd in Lausanne. Hier verbeterde hij zijn persoonlijk record tot 2,39, tevens een evenaring van het Aziatische record van Zhu Jianhua.