La stagione 2011 iniziò in modo amaro per Kobayashi, che nella gara inaugurale in Australia tagliò il traguardo in ottava posizione ma fu squalificato a causa di un'irregolarità dell'alettone posteriore. Il pilota giapponese si rifece già in Malesia, dove giunse settimo. Nel Gran Premio di Cina Kobayashi giunse nuovamente a punti, tagliando il traguardo in decima posizione. Nelle successive gare in Turchia e in Spagna il pilota nipponico ripeté questo risultato, in entrambi i casi dopo delle rimonte dall'ultima posizione, nella prima occasione per problemi meccanici in qualifica e nella seconda per un contatto nelle prime fasi di gara. Nel Gran Premio di Monaco Kobayashi ottenne il miglior piazzamento in carriera, sfruttando una buona tattica per chiudere la gara in quinta posizione. Anche nel rocambolesco Gran Premio del Canada il pilota nipponico si mise in luce, occupando a lungo la seconda posizione e tagliando il traguardo al settimo posto, dopo aver perso per pochi millesimi di secondo un arrivo in volata con Felipe Massa. La serie di piazzamenti a punti si concluse nel Gran Premio d'Europa, nel quale Kobayashi tagliò il traguardo in sedicesima posizione dopo una gara travagliata. Nella parte centrale di campionato Kobayashi raccolse solo un nono posto nel Gran Premio di Germania, facendo segnare appena due punti in dieci gare. Il pilota giapponese tornò a punti nel Gran Premio di Abu Dhabi, penultima gara della stagione, nel quale giunse decimo davanti al compagno di squadra Sergio Pérez, conquistando poi un nono posto nel conclusivo Gran Premio del Brasile. Il pilota giapponese si confermò al dodicesimo posto nella classifica assoluta, con 30 punti.