Tijdens de Olympische Zomerspelen van 2012 in Londen veroverde Agnel samen met Fabien Gilot, Clément Lefert en Amaury Leveaux de gouden medaille bij het estafetteonderdeel 4x100 meter vrije slag. In de laatste 50 meter werd hierbij de achterstand op het Amerikaanse team omgebogen naar een voorsprong. Daags na zijn eerste gouden medaille stond hij ook op het hoogste schavot op de 200 meter vrije slag, op de 100 meter vrije slag eindigde hij op de vierde plaats. Op de 4x200 meter vrije slag sleepte hij samen met Amaury Leveaux, Grégory Mallet en Clément Lefert de zilveren medaille in de wacht, samen met Camille Lacourt, Giacomo Perez Dortona en Romain Sassot strandde hij in de series van de 4x100 meter wisselslag. Op de "Franse kampioenschappen kortebaanzwemmen 2012" in Angers verbeterde de Fransman het wereldrecord op de 400 meter vrije slag en het Europees record op de 800 meter vrije slag. In Chartres nam Agnel deel aan de Europese kampioenschappen kortebaanzwemmen 2012. Op dit toernooi werd hij Europees kampioen op de 200 en de 400 meter vrije slag, op de 100 meter vrije slag legde hij beslag op de bronzen medaille. De Europese zwembond LEN riep hem uit tot Europees zwemmer van het jaar 2012.