2012年も継続してザウバーより参戦。開幕戦では再び1ストップ戦略を遂行するも、最終ラップの他マシンとの接触があり8位。次の第2戦のマレーシアGPでは、予選10位に入り、決勝は9番グリッドスタート。スタート前から降り続いていた雨が激しくなると読んでいち早くウェットタイヤに交換すると激しい雨による赤旗中断までに3位へ。中盤で2位を走行、前を走るフェルナンド・アロンソに約5秒差からファステストラップを連発し1秒差まで近づくも、ドライタイヤ交換のピットストップのタイミングで5秒差に開く。しかし、長持ちするハードタイヤを装着したペレスは消耗が激しいミディアムタイヤを装着したアロンソを0.5秒差まで追い詰める。このまま初優勝かと思われたがコーナーでふくらみコースオフしてしまい、またも差は5秒差となりそのままフィニッシュ。それでも、2年目にして2位フィニッシュとなり、初めてのF1の表彰台に立った。ゴール後、チームとしてもF1に参戦して以降の最高成績にペーター・ザウバーが涙を流した場面が国際映像に映し出された。第6戦のモナコGPでは、予選時にクラッシュし、予選23位であったが、決勝では自身初めてのファステストラップを記録した。