2012 gelang Hsieh dann der unerwartete Durchbruch im Einzel. Zuerst stand sie in Pattaya nach elf Jahren Unterbrechung wieder im Halbfinale eines WTA-Turniers. In Kuala Lumpur errang sie dann ihren ersten WTA-Einzeltitel, wobei sie vom kurzfristigen Viertelfinal-Rückzug Agnieszka Radwańskas sowie von der verletzungsbedingten Aufgabe von Petra Martić im Endspiel profitierte. Auf diesen folgte im September in Guangzhou ihr zweiter Triumph nach einem Finalsieg über Laura Robson. Bei den Olympischen Spielen schied sie im Einzel in der ersten Runde gegen ihre langjährige Doppelpartnerin Peng aus, im Doppel erreichte sie gemeinsam mit Chuang das Viertelfinale, in dem sie gegen die späteren Silbermedaillengewinnerinnen Andrea Hlaváčková und Lucie Hradecká aus Tschechien unterlagen. Zudem gewann sie zwei hochdotierte ITF-Turniere der $100.000-Kategorie in Ningbo und Suzhou und beendete die Saison erstmals in den Top 30 der Welt. Dadurch qualifizierte sie sich für das International Tournament of Champions 2012 in Sofia, wo sie nach einem Sieg gegen Daniela Hantuchová und zwei Niederlagen gegen Caroline Wozniacki und Roberta Vinci in der Gruppenphase ausschied. Im Doppel konnte sie hingegen in Birmingham an der Seite von Tímea Babos nur einen Titel gewinnen. Ihr bestes Resultat dort war der Einzug ins Halbfinale bei den US Open gemeinsam mit Anabel Medina Garrigues.