À Wimbledon, Maria Kirilenko affronte en quart la Polonaise Agnieszka Radwańska. Ce match, commencé sur le court numéro 1 et achevé sur le Centre Court, est interrompu à quatre reprises. Kirilenko passe à deux points de la victoire dans le troisième set mais est finalement dominée par Radwańska 7-5, 4-6, 7-5. En double, Kirilenko et Petrova sont battues au deuxième tour par les sœurs Williams en trois sets (3-6, 6-3, 9-7). À la fin de juillet, Kirilenko dispute le simple et le double dames aux Jeux olympiques sur le site du Tournoi de Wimbledon, le "All England Lawn Tennis and Croquet Club". En simple, Kirilenko domine Petra Kvitová en quart mais perd contre sa compatriote Maria Sharapova en demi-finale. La Russe termine finalement au pied du podium après une défaite dans le match pour la médaille de bronze contre la numéro 1 mondiale Victoria Azarenka (6-3, 6-4). En double, associée à Nadia Petrova, elle perd contre les sœurs Williams en demi-finale mais elle décroche la médaille de bronze en battant l'autre paire américaine Liezel Huber-Lisa Raymond 4-6, 6-4, 6-1.