Kobayashi ble i Sauber også i , med ny lagkamerat, Sergio Pérez som kom på andreplass i GP2-mesterskapet i 2010. Kobayashi kom på åttendeplass i sesongåpningen i Australia, men han og Pérez – som kom på syvendeplass – ble diskvalifisert etter løpet på grunn av et teknisk regelbrudd vedrørende bilens bakvinge. Det neste løpet i Malaysia var en ny sterk forestilling fra Kobayashi, og han avsluttet løpet på åttendeplass, senere flyttet opp til syvende etter at Lewis Hamilton fikk en straff. Han kom på tiendeplass i de tre neste løpene, før han kom inn på en karrierebeste femteplass i et hendelsesfylt Monaco Grand Prix. I et ekstremt vått Canadas Grand Prix jobbet Kobayashi seg opp fra 13. til andreplass etter å ha bestemt seg for å ikke skifte til regndekk før løpet ble rødflagget, slik mange andre førere hadde gjort. Dette ga han i praksis et gratis pitstop mens løpet var stoppet. Etter restarten begynte banen å tørke opp, og etter å ha byttet til intermediate-dekk og til slutt slicks, falt Kobayashi nedover på lista. Etter å ha spunnet under passering av en backmarker og også blitt påkjørt bakfra av Nick Heidfeld kom han til slutt i mål på syvendeplass, bare 0,045 sekund bak Felipe Massa, som passerte ham på den siste oppløpssiden.