Nachdem sich Toyota aus der Formel 1 zurückgezogen hatte, verpflichtete Peter Sauber ihn am 17. Dezember 2009 als ersten Fahrer des Sauber-Teams für die Saison 2010. Kobayashi kam bei den ersten vier Rennen nicht ins Ziel. Während für den ersten und dritten Ausfall technische Probleme verantwortlich waren, schied er beim zweiten und vierten Rennen nach Kollisionen aus. Beim fünften Rennen in Spanien qualifizierte er sich zum ersten Mal in der Saison unter den besten zehn Piloten und kam zudem erstmals ins Ziel. Beim Großen Preis der Türkei holte er als Zehnter seinen ersten Punkt für Sauber. Im weiteren Verlauf der Saison konnte sich Kobayashi nach und nach steigern und regelmäßig Punkte erzielen. Beim Großen Preis von Europa belegte er mit einer anderen Strategie lange Zeit den dritten Platz und wurde nach einem späten Boxenstopp und zwei Überholmanövern in den letzten Runden Siebter. Beim Großen Preis von Großbritannien erzielte er als Sechster seine beste Saisonplatzierung. Für weitere Schlagzeilen sorgte er bei seinem Heimrennen in Suzuka. Er überholte diverse Piloten in der "Hairpin"-Kurve und beendete das Rennen auf dem siebten Platz. Gegen Pedro de la Rosa, der zunächst sein Teamkollege war, setzte sich Kobayashi deutlich durch und war so schließlich mitverantwortlich dafür, dass Sauber in der zweiten Saisonhälfte de la Rosa gegen Nick Heidfeld austauschte. Auch Heidfeld schaffte es nicht, mehr Punkte als Kobayashi zu erzielen. Am Saisonende lag Kobayashi auf dem zwölften Gesamtrang.