Beim drittletzten Saisonrennen, dem Großen Preis von Abu Dhabi, wurde Vettel, nachdem sein Auto mit zu wenig Treibstoff in der Auslaufrunde des Qualifyings stehen geblieben war, aus der Wertung des Qualifyings genommen. Sein Team entschied sich für größere Änderungen am Fahrzeug, sodass Vettel aus der Boxengasse startete. Im Rennen zeigte Vettel einige Überholmanöver und profitierte von zwei Safety-Car-Phasen. Trotz des Starts aus der Box und eines Reparaturstopps wegen eines beschädigten Frontflügels kam Vettel auf dem dritten Platz ins Ziel, während sein Titelrivale Alonso Zweiter wurde. Beim darauf folgenden Großen Preis der USA auf der neuen Strecke in Austin ging Vettel von der Pole-Position ins Rennen. Er wurde in der zweiten Hälfte des Rennens von Hamilton überholt und kam auf dem zweiten Platz ins Ziel. Der Große Preis der USA war Vettels 100. Grand Prix. Mit 13 Punkten Vorsprung auf Alonso ging Vettel ins letzte Saisonrennen, den Großen Preis von Brasilien. Von Platz vier startend fuhr er nach einem Dreher in der ersten Runde dem Feld zunächst hinterher. Vettel zeigte einige Überholmanöver im durch Regen beeinflussten Rennen und kam schließlich auf dem sechsten Platz ins Ziel, während Alonso Zweiter wurde, und entschied damit die Weltmeisterschaft mit 281 zu 278 Punkten für sich. Es war sein dritter Formel-1-Weltmeistertitel in Folge. Mit dem Titelgewinn wurde Vettel zum jüngsten Fahrer, der dreimal die Fahrerweltmeisterschaft gewann. Vor Vettel gelang es nur Juan Manuel Fangio und Michael Schumacher, drei Mal hintereinander Weltmeister zu werden. Darüber hinaus gewann Vettel 2012 zum zweiten Mal die DHL Fastest Lap Trophy für den Fahrer mit den meisten schnellsten Rennrunden. Vettel hatte in der Saison 2012 insgesamt sechs erzielt.