Faits: A. X._ SA, précédemment A._ SA, est inscrite au Registre du commerce du canton de Vaud depuis le *** 2006. Elle est détenue par la société étrangère B._ et dispose d'un capital-actions de CHF 83'636'500.-. Le 11 mars 2005, le Département des finances du canton de Vaud a exonéré totalement X._ SA de l'impôt sur le bénéfice et le capital, pour une période de dix ans, sous diverses charges et conditions. Le 1er février 2006, le Département fédéral de l'économie a exonéré la société de l'impôt fédéral direct dès le 1er février 2006, pour une période de dix ans, à raison de 60 %, sous diverses charges et conditions. Si certaines conditions supplémentaires étaient remplies, l'exonération pouvait par ailleurs atteindre 80 %. B. Le 12 décembre 2011, l'Office d'impôt des personnes morales de l'Administration cantonale des impôts du canton de Vaud (ci-après l'Administration cantonale) a rendu trois décisions de taxation relatives aux périodes 2007, 2008 et 2009, concernant l'impôt fédéral direct dû par X._ SA. II a fixé l'impôt à respectivement CHF 132'577'554.65 pour 2007, CHF 33'179'014.35 pour 2008 et CHF 46'442'073.40 pour 2009. L'Administration fédérale des contributions (ci-après l'Administration fédérale) a recouru contre les trois décisions précitées au Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après le Tribunal cantonal). Pendant l'échange des écritures, l'Administration cantonale a, le 22 mars 2012, rendu trois nouvelles décisions de taxation, remplaçant celles du 12 décembre 2011. Elle a fixé le montant de l'impôt à respectivement CHF 265'155'109.30 pour 2007, CHF 66'358'028.70 pour 2008 et CHF 92'884'146.80 pour 2009. Par arrêt du 6 juin 2012, le Tribunal cantonal a constaté que le recours était devenu sans objet et rayé la cause du rôle. Il a, en substance, considéré qu'en application des dispositions de la procédure administrative vaudoise, l'autorité intimée pouvait modifier la décision attaquée, ce qui pouvait avoir pour conséquence de priver le recours de son objet, et rejeté l'ensemble des arguments soulevés par X._ SA, qui s'opposait au classement du recours. C. Par acte du 3 juillet 2012, X._ SA dépose un recours en matière de droit public au Tribunal fédéral. Elle conclut, sous suite de frais et dépens, principalement, à ce que l'arrêt du 6 juin 2012 soit annulé et la reprise de la procédure par-devant le Tribunal cantonal ordonnée. Subsidiairement, elle requiert la transmission de la cause au Tribunal administratif fédéral comme objet de sa compétence. Les autorités cantonales et fédérales ont été invitées à déposer leurs dossiers sans échange d'écritures. 