Grand Prix Australii rozpoczynające sezon 2012 ukończył na drugiej pozycji. W Grand Prix Malezji zderzył się z dublowanym Narainem Karthikeyanem. W wyniku kolizji w bolidzie Vettela przebita została opona i musiał on zjechać na pit-stop. W bolidzie doszło także do uszkodzenia lewego tylnego kanału chłodzącego hamulce, dlatego Vettel był informowany przez zespół o konieczności zakończenia jazdy, co zostało następnie odwołane i ponowione. Na ostatnim okrążeniu nie używał hamulców, dojechał do mety na jedenastej pozycji. Punktował w Grand Prix Chin, a w Grand Prix Bahrajnu odniósł pierwsze w sezonie zwycięstwo. Punktował w trzech kolejnych wyścigach. Nie ukończył Grand Prix Europy z powodu awarii alternatora w jego bolidzie. W Grand Prix Wielkiej Brytanii zajął trzecie miejsce. Punktował w Grand Prix Niemiec i Grand Prix Węgier. Był drugi w Grand Prix Belgii. W Grand Prix Włoch po obronie pozycji przed Fernando Alonso nałożona została na niego kara przejazdu przez aleję serwisową. Następnie w jego bolidzie doszło do awarii alternatora, w wyniku której musiał wycofać się z wyścigu. Został sklasyfikowany poza pierwszą punktowaną dziesiątką. Zwyciężył w czterech kolejnych wyścigach (w Grand Prix Korei Południowej Vettel miał problemy z oponami, w końcówce wyścigu zespół informował go o konieczności zwolnienia z uwagi na możliwość wyeksploatowania opon w każdej chwili), a w Grand Prix Abu Zabi zajął trzecią pozycję. Grand Prix Stanów Zjednoczonych ukończył na drugim miejscu. W ostatnim wyścigu sezonu Grand Prix Brazylii Vettel został uderzony dwukrotnie przez Bruno Sennę, a jego bolid obrócił się, przez co spadł na koniec stawki. Podłoga i wydech w bolidzie Vettela zostały uszkodzone, mimo to mógł kontynuować wyścig. Dzięki zajęciu szóstego miejsca zdobył swój trzeci tytuł mistrza świata, zostając tym samym najmłodszym trzykrotnym mistrzem świata Formuły 1.