Maldonado memulakan musim 2012 bersama rakan sepasukan barunya dari Amerika Selatan, Bruno Senna, bersama pasukan Williams. Beliau memulakan musim ini dengan baik, dengan mendapat tempat kelapan pada pusingan kelayakan di Australia. Pada perlumbaan tersebut, Maldonado beraksi dengan baik sehinggalah beliau mengalami kemalangan pada pusingan akhir, ketika berjuang dengan Fernando Alonso untuk tempat kelima. Di Grand Prix Malaysia, Maldonado bersara sekali lagi ketika berada dalam kedudukan untuk mendapat mata. Beliau mendapat mata pertamanya pada musim ini selepas mendapat tempat kelapan di China. Di Bahrain, beliau bersara sekali lagi selepas mendapat tempat ke-17 pada pusingan kelayakan. Di Sepanyol, Maldonado mendapat tempat kedua pada pusingan kelayakan, di belakang Lewis Hamilton. Maldonado kemudiannya diberikan petak pertamanya yang sulung dalam kerjayanya selepas Hamilton telah dikecualikan daripada keputusan kelayakan tersebut kerana tidak mempunyai bahan api yang secukupnya di dalam keretanya. Maldonado dipintas di selekoh pertama oleh Fernando Alonso, tetapi kembali mendahului perlumbaan tersebut selepas perhentian pit kedua. Maldonado mengekalkan kedudukannya selepas melengkapkan perhentian pit ketiganya, dan akhirnya memenangi perlumbaan tersebut di hadapan Alonso dan Kimi Räikkönen. Maldonado menjadi pemandu Venezuela yang pertama untuk mendapat podium dalam Formula Satu. Semasa sambutan selepas perlumbaan, sebuah kebakaran tercetus di dalam pit Williams, dan Maldonado telah dilihat membawa sepupunya ke tempat yang selamat.