Hamilton kekal bersama McLaren bagi musim 2012. Hamilton mendapat petak pertama di Grand Prix Australia, namun menamatkan perlumbaan di tempat ketiga selepas dipintas oleh Button pada awal perlumbaan, dan oleh Vettel selepas memasuki pit sebelum kereta keselamatan berada di litar. Hamilton sekali lagi mendapat petak pertama di Grand Prix Malaysia, namun beliau telah dipintas oleh Fernando Alonso dan Sergio Pérez, lalu mendapat tempat ketiga. Hamilton menamatkan perlumbaan di tempat ketiga berturut-turut di Grand Prix China, dengan Nico Rosberg dan Button mendapat tempat pertama dan kedua masing-masing. Hamilton bermula di tempat kedua di Grand Prix Bahrain, tetapi beliau hanya mampu menamatkan perlumbaan di tempat kelapan selepas perhentian pitnya tidak berjalan dengan lancar. Hamilton sekali lagi mendapat petak pertama di Grand Prix Sepanyol, namun bermula di tempat terakhir selepas beliau tidak menggunakan jumlah bahan api yang secukupnya untuk kembali ke pit selepas pusingan kelayakan tersebut. Beliau kemudiannya menamatkan perlumbaan tersebut di tempat kelapan, di hadapan Button yang bermula di tempat kesepuluh.