Grosjean memakai nomor 10 untuk musim 2012. Grosjean kembali membalap di F1 pada lomba GP Australia dengan meraih posisi start kedua di kualifikasi namun kandas saat balapan setelah disundul Pastor Maldonado. Grosjean berhasil meraih podium pertamanya saat ia finis ketiga di Bahrain sekaligus menjadi pembalap Prancis pertama yang naik podium sejak Jean Alesi di Belgia 1998. Grosjean meraih fastest lap di Catalunya dan finish ke 4. Grosjean menambah koleksi trofinya saat ia finis di posisi dua pada GP Kanada. Namun pada GP Eropa di Valencia, Grosjean harus rela tersingkir saat mencoba mengejar mantan rekan setimnya Fernando Alonso karena alternator mesinnya rusak. Pada GP Hongaria, Grosjean berhasil start kedua dan menjadi pembalap Prancis pertama sejak Jean Alesi pada GP Prancis 1999 yang meraih posisi start baris depan. Saat balapan berlangsung, Grosjean finis ketiga.