Vettel mengawali musim 2012 dengan finis kedua di Australia. Di Malaysia Vettel start kelima dan bertahan di posisi empat saat hujan turun sepanjang balapan. Mendekati akhir balapan ia bersenggolan dengan Narain Karthikeyan dan terpaksa harus puas finis di P11. Usai lomba kedua pembalap ini saling beradu mulut. Vettel menyebut Karthikeyan sebagai "ketimun", sementara Karthikeyan menyebut Vettel sebagai "bayi cengeng". Di Cina Vettel start di luar posisi 10 besar. Saat balapan ia sempat berada di P2 sebelum akhirnya finis di P5 akibat salah strategi ban. Vettel berhasil meraih kemenangan pertamanya di musim 2012 di Bahrain. Pada balapan selanjutnya di Spanyol, Vettel hanya mampu finis P6 usai start dari P7 setelah memutuskan tidak mengikuti sesi kualifikasi. Setelah hanya finis keempat di Monako, Vettel bangkit dan meraih pole di Kanada. Tetapi saat lomba berjalan Vettel hanya finis keempat usai bannya melepuh di akhir lomba dan terpaksa masuk pitstop tambahan yang sebenarnya tidak direncanakan. Di Eropa, Vettel kembali meraih pole position namun sialnya saat lomba ia gagal finis usai alternator mesinnya rusak. Vettel dengan cepat bangkit dan finis ketiga di Inggris. Di balapan berikutnya di Jerman, Vettel berhasil tampil apik dengan menempel Fernando Alonso sepanjang balapan. Nasib nahas mendatanginya ketika ia bertarung melawan Jenson Button saat memperebutkan posisi kedua. Tidak lama usai finis, pengawas lomba kemudian menghukum Vettel dengan menurunkannya ke posisi lima. Usai finis keempat di Hongaria, Vettel harus tersingkir di Italia saat alternator mobilnya bermasalah. Vettel berhasil mencetak empat kemenangan beruntun di Singapura, Jepang, Korea dan India. Usai finis kedua di AS dan finis keenam di Brasil, Vettel berhasil meraih gelar juara dunia untuk ketiga kalinya sekaligus yang termuda dalam sejarah F1 memecahkan rekor sebelumnya atas nama Ayrton Senna.