Nel 2006 fu terzo pilota e collaudatore per la squadra BMW Sauber; esordì in gara al Gran Premio d'Ungheria in sostituzione di Jacques Villeneuve, divenendo il primo polacco a correre nella massima categoria; la gara non fu però fortunata per il pilota, giunto settimo ma squalificato, in quanto la vettura risultava di 2 chilogrammi sottopeso. Dopo la gara la BMW Sauber annunciò che Kubica avrebbe sostituito Villeneuve in maniera definitiva per il campionato 2006, correndo anche le rimanenti gare. Nel Gran Premio d'Italia concluse sorprendentemente al terzo posto, riuscendo addirittura a guidare la gara per alcuni giri, dopo essersi qualificato settimo a causa di un errore commesso durante il giro veloce, alla prima curva di "Lesmo", che compromise poi le performance degli pneumatici Michelin per tutta la qualifica; nei tre gran premi restanti non ottenne punti, ma sfiorò per due volte l'ottavo posto.