El 28 de juliol 2012 es proclamà campió olímpic en la cursa en línia. Aprofitant-se de la condició de favorit de l'equip britànic, i sobretot de Mark Cavendish en un possible esprint final, es va introduir en una escapada de 40 ciclistes en la qual va atacar a manca de cinc quilòmetres junt al colombià Rigoberto Urán. En l'esprint final fou el més ràpid, aconseguint d'aquesta manera la seva segona medalla en uns Jocs Olímpics. En acabar la cursa Vinokúrov va anunciar que deixaria el ciclisme en finalitzar la contrarellotge masculina.