2011 blieb Kobayashi bei Sauber. Sein neuer Teamkollege wurde Sergio Pérez. Beim Saisonauftakt in Australien kam Kobayashi auf dem achten Platz ins Ziel. Nach dem Rennen wurden beide Sauber-Piloten disqualifiziert, da ihre Heckflügel illegal waren. Beim zweiten Rennen in Malaysia erreichte er den siebten Platz und erzielte die ersten Punkte. In den folgenden drei Rennen kam er jeweils als Zehnter ins Ziel. In Monaco erzielte er mit einem fünften Platz seine bis dahin beste Formel-1-Platzierung. Ein Rennen später in Kanada lag Kobayashi für einige Runden auf dem zweiten Platz und kam am Ende auf dem siebten Platz ins Ziel. Während Kobayashi in den ersten zehn Rennen siebenmal in die Punkteränge fuhr, gelang ihm dies in den letzten neun Rennen nur zweimal. In der Weltmeisterschaft belegte er erneut den zwölften Rang. Mit 30 zu 14 Punkten setzte er sich intern gegen Pérez durch.