Kobayashi absolvierte 2012 seine dritte Saison für Sauber. Beim ersten Rennen, dem Großen Preis von Australien, erreichte er auf dem sechsten Platz das Ziel. Beim Großen Preis von China besaß Kobayashi mit dem dritten Platz seine bis dahin beste Startposition. Im Rennen fiel er jedoch schon beim Start zurück und kam auf dem zehnten Platz ins Ziel. Er erzielte bei dem Rennen erstmals die schnellste Rennrunde. Beim Europaauftakt in Spanien wiederholte er mit einem fünften Platz seine bis dahin beste Platzierung in der Formel 1. Fünf Rennen später in Deutschland gelang es ihm, dieses Ergebnis mit einem vierten Platz zu übertreffen. Bei seinem Heimrennen, dem Großen Preis von Japan erzielte Kobayashi mit einem dritten Platz sein erstes Podest in der Formel 1. Er schloss die Saison auf dem zwölften Platz ab und unterlag Pérez intern mit 60 zu 66 Punkten. Zum Ende der Saison endete Kobayashis Engagement bei Sauber.