Po třetím místě v kvalifikaci na Grand Prix Austrálie kolidoval ve druhém kole s Pastorem Maldonadem a kvůli vylomenému pravému přednímu kolu závod nedokončil. Po sedmém místě v kvalifikaci ani malajsijskou velkou cenu po vyjetí z tratě po kolizi s Michaelem Schumacherem ve třetím kole nedojel. Z desátého místa obsadil šestou příčku v GP Číny a získal své první body ve Formuli 1. Po sedmém místě v kvalifikaci si díky dobrému startu v Bahrajnu vyjel za třetí příčku své první umístění na stupních vítězů. Po startu ze třetího místa obsadil v Grand Prix Španělska čtvrté místo a v 53. kole zajel nejrychlejší kolo závodu. V Monaku odstartoval čtvrtý, hned po startu se jej snažil vytlačit Fernando Alonso a Grosjean kolidoval s Michaelem Schumacherem a odstoupil. Ve Velké ceně Kanady dojel na druhém místě což je jeho dosavadní nejlepší výsledek v kariéře. V dalším závodě ve Velké ceně Evropy mohl svůj výsledek vylepšit. Ve 41 kole totiž odstoupil těsně za lídrem závodu Alonsem což ho možná připravilo o premiérové vítězství. Ve Velké ceně Belgie způsobil postartovní nehodu při níž musel odstoupit Fernando Alonso, Lewis Hamilton, Sergio Pérez a on sám. Za tuto kolizi dostal trest v podobě zákazu startu v příštím závodě. V Monze ho musel nahradit náhradní jezdec Lotusu Jerome D'Ambrosio. Ve Velké ceně Singapuru dojel na sedmém místě. Ve Velké ceně Japonska opět kolidoval na startu s Markem Webberem který jej označil za blázna. Ve Velké ceně Koreje dojel na sedmém místě. Ve Velké ceně Indie dojel na devátém místě. Ve Velké ceně Saúdské Arábie havaroval s Markem Webberem a Sergiem Perezem. Ve Velké ceně USA dojel na sedmém místě, ve Velké ceně Brazílie nedojel. Pro rok 2013 s ním Lotus prodloužil smlouvu. S 96 body obsadil osmou příčku v Poháru jezdců.