In Belgio il pilota nipponico ottenne la migliore prestazione in carriera in qualifica, facendo segnare il secondo tempo, ma fu coinvolto in un incidente alla prima curva scatenato da Romain Grosjean e precipitò nelle retrovie, non riuscendo a rimontare per via dei danni subiti dalla vettura. Kobayashi fece segnare nuovamente punti nel Gran Premio d'Italia, giungendo nono al traguardo, ma ancora una volta Sergio Pérez, beneficiando di una strategia migliore, fece molto meglio di lui, chiudendo la gara al secondo posto. Nel Gran Premio del Giappone Kobayashi si rifece, tagliando il traguardo in terza posizione dopo essere scattato dal quarto posto in griglia. Il giapponese ottenne così il suo primo podio in carriera, eguagliando il miglior risultato mai ottenuto da un pilota nipponico in Formula 1. Nonostante questo buon risultato, seguito da altri due piazzamenti a punti nel Gran Premio di Abu Dhabi (sesto) e in quello del Brasile (nono), la Sauber non lo confermò per il campionato 2013, preferendogli Nico Hülkenberg. Kobayashi chiuse il campionato 2012 al dodicesimo posto, con 60 punti, ottenendo un podio (nel Gran Premio del Giappone) e un giro veloce (nel Gran Premio di Cina). Nel dicembre 2012 il pilota giapponese annunciò che non avrebbe partecipato al Campionato mondiale di Formula 1 2013, non avendo trovato accordi con nessuna scuderia.