Anche nella stagione 2012 la Mercedes non riuscì a produrre una vettura al livello delle aspettative e Rosberg chiuse le prime due gare della stagione fuori dalla zona punti, nonostante si fosse piazzato tra i primi dieci in qualifica. La situazione cambiò improvvisamente nel Gran Premio di Cina, in cui Rosberg colse la sua prima vittoria in carriera dopo essere scattato dalla pole position. Il pilota tedesco entrò in zona punti anche nelle successive cinque gare, tornando sul podio nel Gran Premio di Monaco, concluso in seconda posizione. La seconda metà della stagione fu decisamente meno positiva per Rosberg, che non andò oltre un quinto posto nel Gran Premio di Singapore. Questo risultato rimase l'ultimo arrivo a punti del tedesco nella stagione: infatti nelle rimanenti sei gare Rosberg giunse al traguardo in sole tre occasioni, rimanendo coinvolto in incidenti nelle prime fasi di gara in Giappone e in Corea del Sud e in una spettacolare collisione con Narain Karthikeyan nel Gran Premio di Abu Dhabi.