Septième sur la grille du Grand Prix du Canada, il perd une place après quelques virages mais, grâce à une stratégie à un seul arrêt et une bonne gestion de ses pneumatiques, revient progressivement sur Fernando Alonso et Sebastian Vettel pour finir deuxième derrière Lewis Hamilton : il réalise ainsi son meilleur résultat en Formule 1. Lors du Grand Prix de Valence, alors qu'il était quatrième sur la grille de départ, Grosjean pointe rapidement en seconde position après avoir doublé Pastor Maldonado au départ et Lewis Hamilton peu de temps avant son changement de pneus. Toutefois, il abandonne à cause d'un problème d'alternateur au quarante-et-unième tour alors qu'il était deuxième derrière Fernando Alonso. Neuvième sur la grille de départ du Grand Prix de Grande-Bretagne, il s'accroche avec Paul di Resta au premier tour, ce qui l'oblige à s'arrêter pour faire réparer son aileron avant. Dernier dès le second tour, il remonte jusqu'à la sixième place à l'issue de la course. En Allemagne, sur le circuit d'Hockenheim, il est pénalisé de cinq places sur la grille de départ en raison d'un changement de boîte de vitesses. Au premier tour, il subit un accrochage et doit faire changer son aileron avant et ses pneus à cause d'une crevaison ; il termine la course dix-huitième. Lors du Grand Prix de Hongrie, il réalise la meilleure qualification de sa carrière en Formule 1 en s'élançant deuxième et termine la course troisième.