Nel Gran Premio di Germania Pérez tagliò il traguardo in sesta posizione dopo una rimonta dal diciassettesimo posto in griglia di partenza, mentre nel Gran Premio del Belgio fu coinvolto in un incidente alla prima curva e costretto al ritiro dopo essersi qualificato in quarta posizione. Pérez ebbe occasione di rifarsi già nel successivo Gran Premio d'Italia, dove, anche grazie ad un'ottima strategia, rimontò dalla quindicesima piazza in griglia fino al secondo posto finale, alle spalle di Lewis Hamilton. All'indomani del Gran Premio di Singapore fu annunciato il suo passaggio in McLaren per la stagione successiva; da quel momento, però, Pérez non riuscì più a segnare punti, ottenendo due undicesimi posti come miglior risultato nelle ultime sei gare del campionato. Il pilota messicano chiuse il 2012 al decimo posto nella classifica generale, con 66 punti.