2012 absolvierte Dixon seine zehnte IndyCar-Saison für Ganassi. Bei den ersten zwei Rennen in St. Petersburg und Birmingham erzielte er zwar die meisten Führungsrunden, zum Sieg reichte es aber in beiden Fällen nicht und er wurde Zweiter. Beim Indianapolis 500 absolvierte er erneut einige Führungsrunden. Der Sieg gelang ihm jedoch abermals nicht. Hinter seinem Teamkollegen Franchitti wurde er Zweiter. Ein Rennen später in Detroit erzielte er schließlich von der Pole-Position startend mit einem Start-Ziel-Sieg seinen ersten Saisonsieg. Beim folgenden Rennen, dem Firestone 550, lag Dixon die meisten Runden in Führung. Er verlor jedoch in der zweiten Hälfte des Rennens die Kontrolle über sein Fahrzeug und schlug in die Streckenbegrenzung ein. Nachdem er in West Allis nach einer Durchfahrtsstrafe, die fehlerhaft verhängt worden war, Elfter geworden war, erreichte er in Newton als Vierter das Ziel. Nach einem Ausfall und einem zehnten Platz entschied Dixon das Honda Indy 200 at Mid-Ohio für sich. Damit gewann er dieses Indy zum vierten Mal innerhalb der letzten sechs Jahre. Mit einem dritten Platz beim letzten Rennen in Fontana beendete Dixon die Saison auf dem dritten Platz der Fahrerwertung. Teamintern setzte er sich erstmals gegen Franchitti durch und wurde seit 2008 zum ersten Mal wieder bester Ganassi-Pilot.