I lekene i London kom Dillard til finalen på 100 meter. Det endte med dødt løp mellom Dillard og landsmannen Barney Ewell. Først etter at juryen hadde studert målfoto, ble Dillard utropt til vinner. Tiden på 10,3 sekunder var tangering av verdensrekorden og ny olympisk rekord. Dillard stilte også på USAs lag på 4 × 100 meter stafett. Sammen med lagkameratene Barney Ewell, Lorenzo Wright og Mel Patton sikret Dillard sin andre gullmedalje, foran Storbritannias lag.