Nel 2012 vince il suo quinto titolo mondiale di ciclocross a Koksijde; su strada si impone invece al Trofeo Alfredo Binda, al Grand Prix Elsy Jacobs e in ben cinque tappe del Giro d'Italia, vincendo ancora la classifica generale della "Corsa rosa" e la relativa classifica a punti. Il 29 luglio a Londra conquista quindi, da grande favorita, il titolo olimpico nella corsa in linea, superando in una volata ristretta Elizabeth Armitstead e Ol'ga Zabelinskaja; è il secondo oro olimpico per lei dopo quello nella corsa a punti a Pechino 2008. Dopo i Giochi conquista anche il Grand Prix de Plouay, lo Holland Tour e quindi, il 22 settembre sulle strade di Valkenburg, il suo secondo titolo mondiale su strada, a sei anni di distanza dal primo alloro; nell'occasione, sfruttando il percorso vallonato, anticipa tutte le rivali vincendo in solitaria. La stagione la vede prevalere anche nella classifica individuale di Coppa del mondo, e a fine anno viene scelta come "Ciclista internazionale dell'anno" dalla rivista "Velo News".