Obtuvo la de oro en la prueba de 200 metros combinados en los Juegos de Londres. Superó a su compatriota y amigo Ryan Lochte por 63 centésimas, pues logró un tiempo de 1 minuto y 54.27 segundos. Así consiguió su medalla de oro número 16. Phelps ya había conseguido ser el atleta más laureado en la historia de las Olimpiadas cuando logró el primer puesto en la prueba 4 x 200m libres con el equipo de Estados Unidos y superar a la gimnasta rusa Larissa Latynina. Además, Michael, se convirtió en el primer nadador en conquistar una misma prueba en tres oportunidades de manera consecutiva.