Hülkenberg nostettiin kaudella 2012 tallin kisakuljettajaksi korvaten tallissa Adrian Sutilin. Hän ajoi Euroopan GP:ssä viidenneksi. Belgian GP:ssä Hülkenberg ajoi neljänneksi, joka on tähän mennessä hänen uransa paras kisasijoitus. Singaporen GP:ssä Hülkenberg ajoi uransa ensimmäisen kilpailun nopeimman kierroksen. Brasilian GP:ssä Hülkenberg oli lähellä taistella vaihtelevissa olosuhteissa uransa ensimmäisestä voitosta, mutta joutui myöhemmin McLaren-kuskien ohittamaksi ja lopulta hän kolaroi McLarenin Lewis Hamiltonin kanssa. Hän sai tilanteestä läpiajorangaistuksen ja putosi lopulta kilpailun viidenneksi. Hülkenberg keräsi kauden aikana 63 pistettä sijoittuen kokonaispisteissä 11:ksi.