Alija Mustafina reprezentowała Rosyjską Federację na Igrzyskach Olimpijskich w Londynie. 31 lipca zdobyła srebrny medal w wieloboju drużynowym. Uzyskała wyniki 15.233 w skoku, 15.700 na poręczach, 14.533 na równoważni oraz 14.800 na ćwiczeniach wolnych.
2 sierpnia Mustafina wzięła udział w finale wieloboju indywidualnego, gdzie otrzymała punktację 15.233 w skoku, 16.100 na poręczach, 13.633 na równoważni (po upadku) oraz 14.600 na ćwiczeniach wolnych. Ostatecznie uplasowała się na trzecim miejscu, zdobywając brązowy medal z łącznym wynikiem 59.566.
6 sierpnia Alija zdobyła złoty medal w finale na poręczach, gdzie uzyskała wynik 16.133, pokonując tym samym mistrzynię olimpijską z 2008 roku He Kexin oraz mistrzynię świata z 2010 roku Beth Tweddle, które uplasowały się na drugiej i trzeciej pozycji.