2012 wechselte Satō innerhalb der IndyCar Series zu Rahal Letterman Lanigan, die mit Honda-Motoren an den Start gingen. Beim Saisonauftakt in St. Petersburg, den er zwischenzeitlich anführte, schied er mit technischen Problemen aus. Zwei Rennen später in Long Beach lag Satō am Anfang der Schlussrunde auf dem dritten Platz. Er kollidierte jedoch schließlich mit Hunter-Reay und erreichte das Ziel nicht. Er wurde als Achter gewertet. Beim vierten Rennen in São Paulo gelang ihm schließlich mit einem dritten Platz seine erste Podest-Platzierung in der IndyCar Series. Im folgenden Rennen, dem Indianapolis 500, griff Satō in der letzten Runden den Führenden Dario Franchitti an. Dabei kam er mit einem Rad zu weit nach innen, sodass er die Kontrolle über sein Fahrzeug verlor und in die Mauer fuhr. Er wurde als 17. gewertet. Beim Edmonton Indy erzielte Satō mit einem zweiten Platz seine bis dahin beste Platzierung in der IndyCar Series. In der Schlussphase lag er in Schlagdistanz zum späteren Sieger Hélio Castroneves. Beim letzten Saisonrennen, dem MAVTV 500, schied Satō ein weiteres Mal kurz vor Rennende in der Spitzengruppe fahrend aus. Am Saisonende war Satō 14. in der Fahrerwertung. Bei 10 von 15 Rennen kam er in dieser Saison nicht ins Ziel. Im Anschluss an die Saison war Satō in weiteren Rennserien aktiv. Zum einen nahm er an vier Rennen der Formel Nippon für das Team Mugen teil. Er blieb ohne Punkte und wurde 15. der Fahrerwertung. Zum anderen trat er für OAK Racing zu zwei Rennen der FIA-Langstrecken-Weltmeisterschaft (WEC) an. Er bildete ein Fahrertrio mit Bertrand Baguette und Dominik Kraihamer. Satō belegte den 80. Platz in der Fahrerweltmeisterschaft.