Le , Peter Sauber confirme Kobayashi au côté de Sergio Pérez en 2012. Lors de la manche inaugurale en Australie, il se classe sixième. Après un abandon en Malaisie à cause de problèmes de freins, Kobayashi obtient, au Grand Prix de Chine, la meilleure qualification de sa carrière en partant en troisième position sur la grille. Il réalise son premier meilleur tour en course et termine dixième. Il se classe treizième à Bahreïn. En Espagne, il termine cinquième et égale son meilleur résultat en Grand Prix. À Monaco, la monoplace en perdition de Romain Grosjean vient frapper la sienne dans le premier virage, le contraignant à l'abandon quelques tours plus tard. Neuvième du Canada, Kobayashi enchaîne deux résultats blancs : à Valencia, il est quatrième pendant la première partie de la course mais un arrêt aux stands trop lent et un accrochage avec Bruno Senna, qui sera jugé responsable, le font plonger en fond de classement. Plus tard, il accroche Felipe Massa, provoquant son abandon. À la suite de incident, les commissaires de course le pénalisent de cinq places sur la grille de départ du Grand Prix de Grande-Bretagne. À Silverstone, il rate son freinage devant son stand, fauche plusieurs de ses mécaniciens, qui ne souffrent que de blessures mineures, et se classe onzième. Lors du Grand Prix d'Allemagne, il franchit la ligne d'arrivée en cinquième position, puis profite d'une pénalité infligée à Sebastian Vettel après la course pour grimper au quatrième rang, son meilleur résultat depuis ses débuts en Formule 1.