In den ersten sieben Rennen der Saison gab es sieben verschiedene Sieger. Bis zum Großen Preis von Italien im September 2012 gewann Vettel lediglich ein Rennen, nämlich den Großen Preis von Bahrain. In dieser Zeit lag er in der Zwischenwertung der Fahrerweltmeisterschaft um bis zu 40 Punkte hinter dem Ferrari-Piloten Fernando Alonso zurück. Danach setzte eine Siegesserie ein. Beginnend mit dem Großen Preis von Singapur, gewann Vettel vier Rennen in Folge. Nach dem Großen Preis von Korea übernahm Vettel die Führung in der Fahrerweltmeisterschaft. Vor dem letzten Rennen des Jahres in Brasilien betrug sein Vorsprung auf Alonso 13 Punkte; beide Fahrer konnten in diesem Rennen noch die Weltmeisterschaft für sich entscheiden. In dem Rennen, das Niki Lauda für das spannendste Rennen hielt, das er je gesehen habe, setzte Vettel sich gegen Alonso durch. Er gewann die dritte Weltmeisterschaft in Folge und wurde zum jüngsten dreifachen Weltmeister der Formel-1-Geschichte. Auf dem Autódromo José Carlos Pace qualifizierte sich Vettel für Startplatz vier, Alonso für Startplatz acht. Nachdem er im Rennen infolge einer Kollision mit dem Williams-Piloten Bruno Senna auf den letzten Platz zurückgefallen war, lief Vettel letztlich als Sechster ins Ziel, während Alonso Zweiter wurde. Vettels Vorsprung auf Alonso belief sich in der Gesamtwertung auf drei Punkte. Nach dem Rennen kam es zu einer Kontroverse über einen Überholvorgang Vettels, dem vorgeworfen wurde, unter gelber Flagge an Jean-Éric Vergne vorbeigegangen zu sein. Es folgten Spekulationen über einen Verlust des Weltmeistertitels. Die FIA bestätigte allerdings am 29. November 2012 die Regelkonformität des Überholvorgangs.