Tại vòng tuyển chọn vận động viên Mỹ tham gia Olympic 2012 ở Omaha, Nebraska, Hardy giành chiến thắng trong nội dung 50-m tự do với thành tích 24.50 giây, và chiến thắng tại nội dung 100-m bơi tự do với thành tích 53.96 giây, dù chỉ vượt qua hai vòng loại đó nhưng cô cũng góp mặt trong đội tuyển Mỹ thi đấu tại nội dung 4×100-m tự do và 4×100-m hỗn hợp tiếp sức tại Olympic năm 2012. Cô cũng tham dự nội dung 100-m ếch, đứng ở vị trí thứ ba sau "người mới" Breeja Larson và "cựu binh" Rebecca Soni tại Olympic.

Tại Thế vận hội mùa hè 2012 ở London, Hardy giành tấm huy chương Olympic đầu tiên, đó là một tấm huy chương đồng, tại 4x100-m tự do tiếp sức cùng với Missy Franklin, Lia Neal và Allison Schmitt, khi đội tuyển bơi Mỹ về thứ ba sau Úc và Hà Lan. Bơi ở lượt hai, Hardy hoàn thành vòng đua với thời gian 53.53 giây và tổng thời gian của cả đội là 3:34.24, một kỷ lục Mỹ. Cô cũng giành một chiếc huy chương vàng khi thi đấu cho đội tuyển Mỹ tại nội dung 4x100-m hỗn hợp tiếp sức nữ. Trong hai nội dung bơi cá nhân của cô, cô đứng thứ bảy tại nội dung 50-m tự do nữ và thứ tám tại nội dung 100-m tự do nữ.[42][43]