L'anno olimpico inizia con la partecipazione, nel mese di marzo, agli [[Campionati italiani primaverili di nuoto 2012|assoluti primaverili di Riccione]] durante i quali vince il titolo nei 100, 200 e 400 m stile rispettivamente in 54"73, 1'57"10 e 4'05"70.<ref>[{{cita web|url=http://www.dbresults.net/sitofin/risultati/nu/2012/riccione0603201201/indexframe.htm|sito=dbresults.net|titolo="Campionati NUOTOItaliani Assoluti Primaverili Riccione 6-10 Federazionemarzo 2012"|accesso=28 Italianasettembre Nuoto]2014}}</ref> Partecipa ai Campionati a squadre e al "Trofeo Settecolli".
Dopo Il Campionato a squadre, prende parte ai [[Campionati europei di nuoto 2012|Campionati europei di Debrecen]]. Disputa la gara dei 200 m stile libero, nella quale si conferma campionessa in 1'56"76 a due anni di distanza dalla precedente edizione dei campionati continentali. Arriva in finale con il miglior crono e termina la gara davanti [[Silke Lippok]] e [[Ophelie Cyrielle Etienne]]. Nei 400 m stile non supera le batterie che chiude con un crono di 4'14"27.<ref>[{{cita web|url=http://www.gazzetta.it/Olimpiadi/27-05-2012/colpo-scena-pellegrini-fuori-finale-400-911349611787.shtml|sito=gazetta.it|titolo="Colpo di scena: Pellegrini E' fuori dalla finale dei 400 -sl"|accesso=01 Laottobre Gazzetta dello Sport]2014}}</ref> Al termine della sua prova dichiara di essere lei stessa incredula del risultato e afferma di non essersi sentita molto bene durante lo svolgimento della gara.<ref>[{{cita web|url=http://www.swimrankings.net/index.php?page=meetDetail&meetId=562387&clubId=230|sito=swimrankings.net|titolo="LEN: SwimEuropean RankingsChampionships -Vasca bylunga GeoLogix(50m) AG,Debrecen (HUN)"|accesso=29 settembre Switzerland]2014}}</ref> In staffetta riesce a vincere un altro oro nella 4x200 m stile libero, contribuendo con una frazione da 1'55"33 che porta la squadra a vincere il titolo europeo.<ref>[{{cita web|url=http://news.leonardo.it/europei-di-debrecen-oro-nella-staffetta/|sito=leonardo.it|titolo="Europei di Debrecen, oro nella Staffetta]"|accesso=27 settembre 2014}}</ref> Arriva anche terza nella 4x100 m stile libero, dietro a Germania e Svezia. <br />
Alle [[Giochi della XXX Olimpiade|Olimpiadi di Londra]] arriva quinta nei 400 m stile libero in 4'04"50. Nei 200 m stile vince con il primo tempo assoluto le batterie in 1'57"16, ma in finale arriva solo quinta in 1'56"67 replicando il tempo ottenuto in semifinale.<ref>[{{cita web|url=http://www.swimrankings.net/index.php?page=meetDetail&meetId=563769&clubId=230|sito=swimrankings.net|titolo="XXX SwimOlympic RankingsGames -Vasca bylunga GeoLogix(50m) AG,London Switzerland](GBR)"|accesso=26 settembre 2014}}</ref> Partecipa anche come staffettista alla 4x100 m mista e stile fermandosi alle batterie, mentre nella 4x200 m stile libero accede alla finale e conclude con le compagne al settimo posto. Al termine dei giochi londinesi si dice dispiaciuta per i risultati ottenuti, ma è certa di aver fatto il possibile nelle sue gare. Inoltre, dichiara di voler prenderei un anno sabbatico per riflettere sul suo futuro e sulla sua guida tecnica.<ref>[{{cita web|url=http://www.ilsussidiario.net/News/Calcio-e-altri-Sport/Altri-sport/2012/7/31/OLIMPIADI-LONDRA-2012-Nuoto-Federica-Pellegrini-quinta-nei-200-metri-sl-Michael-Phelps-secondo-nei-200-farfalla/307997/|sito=ilsussidiario.net|titolo="OLIMPIADI LONDRA 2012/ Nuoto, Federica Pellegrini quinta nei 200 metri sl, Michael Phelps secondo nei 200 farfalla]"|accesso=25 settembre 2014}}</ref> <br />Nel mese di dicembre partecipa ai [[Campionati mondiali di nuoto in vasca corta 2012|mondiali di nuoto di Istanbul]] solo in qualità di staffettista. Le sue frazioni in finale sono di 54"13 nella 4x104x100 m stile e di 1'54"31 nella 4x200 m.
In seguito ai deludenti risultati delle Olimpiadi di Londra e i [[Campionati mondiali di nuoto in vasca corta 2012|mondiali di Istambul]] partecipa ai [[Campionati italiani invernali di nuoto 2012|Campionati italiani di Riccione]] scendendo in acqua solo per le staffette, conquistando un primo e un secondo posto. Termina la sua stagione alla "Coppa Caduti di Brema" gareggiando nelle staffette e nei 200 m stile e 200 m dorso.
