Engagé dans une poule qui comporte deux clubs français, Toulon et Montpellier, Cardiff ne remporte qu'une victoire lors de la Coupe d'Europe 2012-2013, Halfpenny disputant quatre rencontres et inscrivant , dont trois essais. Il dispute les quatre tests du mois de novembre, inscrivant face aux Argentins, 14 face aux Samoa, aucun face aux ' et 12 face aux ', les Gallois concédant quatre défaites. Lors de cette dernière rencontre, il sort sur une civière après avoir tenté de mettre un terme à une action qui permet à l'Australien Kurtley Beale d'inscrire l'essai de la victoire. Hospitalisé, il sort le lendemain du match après des radios du cou. Il fait son retour sous le maillot gallois neuf semaines plus tard lors de l'ouverture du Tournoi des Six Nations 2013 face aux Irlandais. Défait au Millennium Stadium lors de la première journée sur le score de par l'Irlande, avec un essai, une pénalité et deux transformations de Halfpenny, le pays de Galles remporte les quatre rencontres suivantes, en France et de l'arrière gallois, en Italie, , en Écosse , et face aux Anglais, . Meilleur marqueur avec , il est désigné meilleur joueur du tournoi.