През сезон 2012 Уилямс не подновяват договор на опитния бразилски пилот Рубенс Барикело и на негово място идва племенникът на легендарния трикратен световен шампион от Бразилия Айртон Сена – Бруно Сена. Така в Уилямс се оформя латиноамериканско дуо. Сезон 2012 не започва по най-добрия начин за Пастор, защото през първите две състезания той не отбелязва нито една точка и първите му точки в актива идват едва при третото състезание (гран при на Китай). В четвъртото състезание той също не отбелязва нито една точка. Подобрената форма на Уилямс за гран при на Испания дава шанса на Пастор да се представи на топ ниво и той го прави. С първи пол позишън за Уилямс от гран при на Бразилия 2010 Пастор печели състезанието и издига Уилямс на върха на почетната стълбичка за първи път от гран при на Бразилия 2004, когато това го прави Хуан Пабло Монтоя. Така той печели първата победа в кариерата си и става първия венецуелски пилот, печелил някога състезание от Формула 1. След това състезание се наблюдава рязък спад в представянето му, като в следващите девет състезания не влиза нито веднъж в зоната на точките и често бива наказван поради сблъсъци с различни пилоти от падока като Педро де ла Роса – в Монако, Люис Хамилтън – във Валенсия, Серхио Перес – на Силвърстоун и Пол ди Реста – в Унгария. В квалификацията на ГП на Белгия завършва 3-ти, но е наказан с 3 места назад, защото задържа Хюлкенберг по време на първата част. Още в началните обиколки на състезанието отпада, след като става част от голямата катастрофа на старта, а след това се сблъсква и с Тимо Глок при опит за изпреварване, което му коства 10 места към стартовата му позиция в Монца.