Hoy var ambassadör för de Olympiska sommarspelen 2012 i London. Han ledde Team GB och var dess flaggbärare under öppningsceremonin. Han var med och slog världsrekord i herrarnas lagsprint tillsammans med Jason Kenny och Philip Hindes. Den 7 augusti vann Hoy guld i Keirin och slog då Stephen Redgraves tidigare brittiska OS-guld rekord på fem medaljer. Guldet gav honom också delad plats tillsammans med cyklisten Bradley Wiggins i antal medaljer tagna av britter under olympiska spelen.