Op de [[wereldkampioenschappen zwemmen 2011]] in Shanghai veroverde Lochte vijf wereldtitels, waarvan vier op individuele onderdelen: de 200 meter vrije slag, 200 meter rugslag en beide wisselslagafstanden. De vijfde titel behaalde hij samen met Michael Phelps, Peter Vanderkaay en Ricky Berens op de 4×200 meter vrije slag estafette (zijn vierde op rij na 2005, 2007 en 2009) en verder won hij nog een bronzen medaille op de 4×100 vrije slag estafette als serie-zwemmer. Op de 200 meter wisselslag verbrak hij zijn eigen wereldrecord met 1.54,00. Opmerkelijk was dat hij tijdens dit toernooi tweemaal Michael Phelps versloeg op individuele nummers, dit had nog nooit iemand gepresteerd op een internationaal titeltoernooi.
Tijdens de [[Olympische Zomerspelen 2012]] in [[Londen]] veroverde Lochte de gouden medaille bij het onderdeel [[Zwemmen op de Olympische Zomerspelen 2012 – 400 meter wisselslag mannen|400m wisselslag]]. Bij het estafetteonderdeel [[Zwemmen op de Olympische Zomerspelen 2012 – 4x100 meter vrije slag mannen|4× 100m vrije slag]] won Lochte samen met [[Michael Phelps]], [[Cullen Jones]] en [[Nathan Adrian]] de zilveren medaille. In de laatste 50m werd de leidende positie verloren aan het Franse team die de gouden medaille wonnen. Op de derde dag viel hij buiten de prijzen met een vierde plaats op de [[Zwemmen op de Olympische Zomerspelen 2012 – 200 meter vrije slag mannen|200 meter vrije slag]]. Op de [[Zwemmen op de Olympische Zomerspelen 2012 – 4x200 meter vrije slag mannen|4×200m vrije slag]] kon Lochte zich verzekeren van een tweede gouden medaille op de Spelen. De Amerikaanse estafetteploeg met Lochte, [[Conor Dwyer]], [[Ricky Berens]] en [[Michael Phelps]] bouwde al vroeg in de wedstrijd een voorsprong uit op de rechtstreekse concurrenten, won de wedstrijd met een tijd onder de zeven minuten en nam zo weer wraakweerwraak op het Franse estafetteteam voor het verlies van de gouden medaille in de [[Zwemmen op de Olympische Zomerspelen 2012 – 4x100 meter vrije slag mannen|4× 100m vrije slag]]. Op de zesde dag van het toernooi zwom Lochte zijn laatste twee finales, slechts 30 minuten na elkaar. Eerst werd hij verrassend derde op de [[Zwemmen op de Olympische Zomerspelen 2012 – 200 meter rugslag mannen|200 meter rugslag]], het nummer waarop hij zijn titel verdedigde. Vervolgens won hij zilver op de [[Zwemmen op de Olympische Zomerspelen 2012 – 200 meter wisselslag mannen|200 meter wisselslag]]. Dit betekende dat hij voor de derde Spelen op rij een medaille won op dit onderdeel. Lochte sloot het toernooi af met 5 medailles, waaronder 2 gouden. Op de [[wereldkampioenschappen kortebaanzwemmen 2012]] in [[Istanboel]] werd de Amerikaan wereldkampioen op de 200 meter vrije slag en de 100 en 200 meter wisselslag, daarnaast veroverde hij de zilveren medaille op de 200 meter rugslag en de bronzen medaille op de 100 meter vlinderslag. Op de 4×100 meter vrije slag veroverde hij samen met [[Anthony Ervin]], [[Jimmy Feigen]] en Matt Grevers de wereldtitel, samen met Conor Dwyer, [[Michael Klueh]] en [[Matt McLean]] werd hij wereldkampioen op de 4×200 meter vrije slag. Op de 4×100 meter wisselslag legde hij samen met Matt Grevers, [[Kevin Cordes]] en [[Thomas Shields]] beslag op de wereldtitel.
