Nonostante la scuderia, nel frattempo rinominata Caterham F1 Team, inizi la stagione con l'ambizione di avvicinarsi definitivamente alle posizioni di centro gruppo, la stagione è analoga a quella precedente, con il finlandese che non riesce a ottenere risultati di rilievo. Come nel 2011 Kovalainen ottiene come miglior piazzamento il tredicesimo posto, risultato conseguito sia nel Gran Premio di Monaco che in quello di Abu Dhabi, non conquistando, quindi, punti iridati. A fine stagione il pilota finlandese non viene confermato dalla Caterham per il campionato 2013, rimanendo senza un volante in Formula 1. Il 17 aprile 2013, però, la scuderia malese lo richiama nel ruolo di terzo pilota, permettendogli di prendere parte alla prima sessione di prove libere del venerdì in sei occasioni (Bahrein, Spagna, Belgio, Italia, Giappone e Abu Dhabi), di volta in volta al posto di uno dei piloti titolari, Charles Pic e Giedo van der Garde. Successivamente, il 14 novembre 2013, viene ingaggiato dalla Lotus come sostituto di Kimi Räikkönen per le ultime due gare del campionato. I risultati sono però al di sotto delle aspettative e Kovalainen non riesce a cogliere punti né al Gran Premio degli Stati Uniti né in quello del Brasile.