Musim 2011 Kobayashi masih bertahan bersama Sauber, dan kali ini ia bermitra dengan pembalap rookie asal Meksiko Sergio Perez. Duet Sauber ini kemudian berhasil finish dengan angka di Australia tetapi kemudian mereka didiskualifikasi akibat sayap belakang mobil yang menyalahi aturan regulasi. Di Malaysia Kobayashi berhasil finish ketujuh usai Lewis Hamilton terkena penalti. Di tiga balapan selanjutnya Koba kemudian berhasil selalu finish di top-10. Di Kanada Koba sempat meraih posisi kedua di bawah guyuran hujan lebat, tetapi kemudian turun perlahan saat trek mengering. Ia pun hanya mampu finish ketujuh di balapan tersebut. Pada tanggal 28 Juli 2011, Sauber mengumumkan Kamui Kobayashi bersama rekannya Sergio Perez akan mendapat perpanjangan kontrak sampai akhir musim 2012. Pertengahan musim 2011, Sauber sempat mengalami masa-masa sulit ketika kedua mobilnya kerap kali tampil buruk dalam beberapa lomba. Posisi klasemen konstruktor untuk Sauber pun semakin terancam setelah Kobayashi gagal meraih angka di beberapa lomba, salah satunya adalah ketika ia terlibat insiden dengan Lewis Hamilton di Belgia dan insiden dengan beberapa pembalap lain di India. Dalam dua balapan terakhir musim 2011, Kobayashi berhasil memaksakan diri dan mencetak angka di Abu Dhabi dan Brasil. Atas andilnyalah, Sauber berhasil mempertahankan diri di peringkat ketujuh klasemen konstruktor dengan unggul tipis 3 angka dari tim STR. Kobayashi sendiri berada di peringkat 12 klasemen pembalap dengan raihan 30 poin.