Le , lors du Grand Prix de Singapour, Lewis Hamilton, alors en tête de la course nocturne après s'être élancé de la pole position, abandonne sur un problème de transmission et retombe à la quatrième position du championnat du monde. Le , l'écurie Mercedes Grand Prix, dirigée par Ross Brawn et Nick Fry, annonce qu'Hamilton a signé avec elle un contrat de trois ans et remplacera donc Michael Schumacher à partir de la saison 2013. Au Japon, un problème de suspension le contrarie et il finit cinquième. Une semaine plus tard, en Corée, il se qualifie en deuxième ligne derrière les Red Bull et, en course, sa barre anti-roulis casse au vingtième tour alors qu'il était quatrième : il termine dixième. En Inde, il se qualifie troisième et termine sa course à la quatrième place. Une semaine plus tard à Abu Dhabi, il décroche avec aisance la pole position assez loin devant les deux Red Bull. Alors qu'il contrôlait la course en étant bien installé en première position, sa McLaren lui joue à nouveau des tours comme à Singapour et il est obligé de mettre pied à terre au dix-neuvième tour. Le , il s'impose au Grand Prix des États-Unis en dépassant Sebastian Vettel au quarante-deuxième tour après s'être élancé de la deuxième place sur la grille. Pour sa dernière course avec McLaren, au Grand Prix du Brésil, il réalise la pole position mais, en course, abandonne au cinquante-cinquième tour après avoir été accroché par Nico Hülkenberg. Il termine quatrième du championnat du monde, juste devant son coéquipier Button.