Od sezonu 2010 pełnił rolę kierowcy rezerwowego w zespole Sauber. 23 listopada 2012 roku zespół Sauber ogłosił, że zostanie on pełnoetatowym kierowcą teamu od sezonu 2013, wchodząc na miejsce Kamui Kobayashiego. Jego kolegą z zespołu będzie Nico Hülkenberg, którego przyjęcie ogłoszono krótko po tym, gdy podano do oficjalnej wiadomości, że rodak Estebana, Sergio Pérez, od sezonu 2013 będzie się ścigał dla teamu McLaren. W przeciągu sezonu spisywał się gorzej niż jego partner, plasując się regularnie poza czołową dziesiątką. Pierwszym udany występem było Grand Prix Hiszpanii, kiedy to zajął jedenaste miejsce wykręcając jednocześnie najszybsze okrążenie. Pierwsze punkty zdobył w Japonii, gdzie ukończył wyścig na siódmej pozycji. W klasyfikacji generalnej został sklasyfikowany na szesnastym miejscu.