Maldonado begynte -sesongen for Williams med brasilianeren Bruno Senna som ny teamkamerat, etter at Senna hadde erstattet Rubens Barrichello. Han startet med å kvalifisere inn til åttende startposisjon til Australias Grand Prix 2012. I løpet kjørte han sterkt helt til han krasjet på siste runde mens han kjempet med Fernando Alonso om femteplassen. I Malaysia måtte Maldonado bryte mot slutten av løpet mens han lå an til poengplassering. Han fikk sesongens første poeng da han kom på åttendeplass i Kina. En punktering endte løpet hans i Bahrain. I Spania kvalifiserte Maldonado som nummer to, etter Lewis Hamilton. Maldonado ble senere flyttet opp til sin første pole position i Formel 1, etter at Hamilton ble ekskludert fra kvalifiseringsresultatene fordi han ikke hadde nok bensin igjen i bilen. Maldonado ble forbikjørt inn mot første sving av Fernando Alonso, men tok tilbake ledelsen etter den andre runden med pitstop. Han beholdt ledelsen etter de tredje pitstoppene, og kjørte inn til sin første Formel 1-seier foran Alonso og Kimi Räikkönen, og ble den første venezuelanske føreren på pallen i et Formel 1-løp.