Senna kwalificeerde zich als veertiende voor de Grand Prix van Australië maar moest later opgeven na een aanrijding met Felipe Massa, Senna werd nog wel geklasseerd als 16e. Bruno Senna scoorde zijn eerste punten voor Williams tijdens de Grand Prix van Maleisië waar hij knap zesde werd. Het feit dat de race werd verreden in de regen en droog weer, maakte de prestatie extra knap. De acht punten die Senna scoorde in Maleisië was al meer dan het team het seizoen ervoor in totaal had. De races daarna werd Senna zevende ,tijdens de Grand Prix van China, en moest hij zijn race in Bahrein vroegtijdig beëindigen door remproblemen. Zijn teamgenoot Pastor Maldonado won drie weken later de Grand Prix van Spanje terwijl Senna uitviel na een botsing met Michael Schumacher. Senna finishte 10e in Monaco en 17e in Canada. Tijdens de Europa kreeg Senna een drive-through penalty nadat hij in botsing kwam met Kamui Kobayashi, Senna finishte de race als elfde maar werd later tiende doordat zijn teamgenoot een 20-seconden tijdstraf kreeg na een botsing met Lewis Hamilton. In Engeland leek Senna op weg om voor de eerste keer mee te mogen doen aan Q3, maar een spin van Romain Grosjean gooide roet in het eten, Senna startte 13e en finishte 9e na een sterke race. Op 28 november 2012 werd bekend dat Senna zijn stoeltje bij Williams kwijt raakt aan Valtteri Bottas.