Kobayashi bertahan di Sauber untuk 2012. Usai finis P6 di Australia dan gagal finis di Malaysia, Koba meraih posisi kualifikasi ketiga di China sebelum akhirnya saat lomba ia harus puas finis di posisi 10. Memasuki pertengahan musim, Koba berhasil finis P4 di Jerman (sebelumnya P5 sebelum Sebastian Vettel terkena penalti). Kobayashi berhasil meraih posisi kedua saat kualifikasi di Belgia sebelum terlibat insiden di awal lap 1 yang mengakibatkannya harus puas finis di P13. Di Jepang, Kobayashi mencatat sejarah sebagai pembalap Jepang kedua setelah Aguri Suzuki pada GP Jepang 1990 yang meraih podium dengan finis di P3. Sayangnya posisi podium tersebut menjadi sia-sia di akhir musim saat tim Sauber memutuskan tidak memperpanjang kontraknya dan memilih duet Nico Hulkenberg dan Esteban Gutierrez untuk musim .