Le , il est confirmé par Sauber pour la saison 2011. Le 10 octobre, à l'occasion de son Grand Prix national, Kobayashi, parti de la quatorzième place sur la grille, termine septième de l'épreuve en doublant notamment quatre adversaires dans le virage "Hairpin". Pour sa première saison complète en championnat du monde, il se classe douzième avec trente-deux points.