Per la stagione 2012 si trasferisce tra le file della squadra statunitense BMC Racing Team, capitanata dall'australiano Cadel Evans, dopo aver firmato un pre-contratto nell'agosto precedente. In primavera Gilbert, a differenza della stagione precedente, non ottiene alcun successo: conclude sesto all'Amstel Gold Race, terzo alla Freccia Vallone e sedicesimo alla Liegi-Bastogne-Liegi. Nel prosieguo di stagione partecipa quindi al Tour de France, con due quarti posti di tappa, alle prove in linea e a cronometro dei Giochi olimpici di Londra e ai campionati belgi a cronometro, dove chiude terzo. Il 26 agosto ottiene la prima vittoria stagionale, imponendosi nella nona tappa della Vuelta a España, quella con arrivo a Barcellona; si ripete nella stessa corsa dodici giorni dopo, aggiudicandosi anche la frazione con traguardo a La Lastrilla.