Mengawali musim 2012, Johnson sempat terkena hukuman pemotongan poin beserta denda akibat pelanggaran yang terjadi pada mobilnya di balapan Daytona 500. Tim Johnson yang dipimpin kepala mekaniknya Chad Knaus langsung mengajukan banding atas hukuman ini. Sementara itu, Johnson hanya mampu finis ke-42 di Daytona 500 setelah dirinya bertabrakan dengan Elliott Sadler dan Danica Patrick. Johnson berhasil finis kedua di Las Vegas. Usai finis kesembilan di Bristol, Johnson perlahan tetapi pasti naik ke posisi 11 klasemen. Ia juga kemudian mendapat berita baik dengan proses bandingnya atas hukuman di Daytona yang akhirnya diterima oleh komisi disiplin NASCAR. Pada 13 Mei 2012, Johnson berhasil memenangi lomba Bojangles' Southern 500 di Darlington Raceway yang sekaligus menjadi kemenangan ke-200 untuk Hendrick Motorsports di ajang Seri Piala Sprint. Minggu berikutnya, Johnson kembali menang di sirkuit yang sama dalam lomba NASCAR Sprint All-Star Race XXVIII sekaligus menyamai rekor Jeff Gordon dan Dale Earnhardt yang memenangi balapan tersebut tiga kali. Usai terkena penalti saat balapan Coca-Cola 600, Johnson bangkit dan meraih kemenangan di FedEx 400. Pada tanggal 29 Juli 2012 bertempat di Indianapolis Motor Speedway, Johnson berhasil meraih kemenangan keempatnya di Brickyard 400 sekaligus menyamai catatan rekan setimnya Jeff Gordon yang menang empat kali di Indianapolis. Johnson kemudian berhasil masuk ke Chase of the Cup 2012 dan berhasil meraih dua kemenangan beruntun di Martinsville dan Texas yang memberikannya keunggulan 7 poin atas Brad Keselowski. Namun kecelakaan yang dialami Johnson di Phoenix disusul masalah teknis pada mobil di Miami memupus harapan Johnson menjadi juara musim 2012. Johnson pun harus puas berada di posisi ketiga klasemen akhir musim 2012.