Au Grand Prix de Belgique, il s'élance depuis la première ligne de la grille de départ après s'être qualifié deuxième derrière Jenson Button. En course, tout comme son coéquipier, il est une des victimes indirectes du carambolage du départ et chute en fond de classement et termine treizième de l'épreuve. À Monza, il se qualifie neuvième et franchit le drapeau à damiers à la même place. Il connaît un week-end difficile à Singapour, puisqu'il est éliminé dès la première phase des qualifications pour la première fois de l'année, et qu'il se classe treizième de la course. Pour son Grand Prix national, à Suzuka, il devient le troisième Japonais à monter sur un podium de Formule 1, après Aguri Suzuki au Grand Prix du Japon 1990 et Takuma Satō au Grand Prix des États-Unis 2004. Une semaine plus tard, dans le premier tour du Grand Prix de Corée, il rate son freinage et provoque les abandons de Jenson Button et Nico Rosberg. Il écope d'un "drive-through" avant de se retirer de la course au dix-huitième tour. En Inde, il termine quatorzième. Il rebondit une semaine plus tard en se classant sixième du Grand Prix d'Abou Dabi. Aux États-Unis, il effectue un week-end discret et finit quatorzième, à un tour du vainqueur Lewis Hamilton. Enfin, il se classe neuvième de la dernière course de la saison au Brésil. En marge du Grand Prix, Sauber officialise la titularisation du Mexicain Esteban Gutiérrez pour la saison 2013, qui évoluera aux côtés de Nico Hülkenberg. Kobayashi n'est pas conservé dans l'équipe.