Obowiązki związane z rolą piątkowego zawodnika w F1 uniemożliwiła Bianchiemu dalsze starty w Serii GP2. W celu utrzymania formy zawodnik postanowił jednak kontynuować udział w serii juniorskiej i podpisał kontrakt z francuskim zespołem Tech 1 Racing, startującym w Formule Renault 3.5, na sezon 2012. Francuz walczył o tytuł mistrzowski z Holendrem Robinem Frijnsem. Losy tytułu rozstrzygnęły się dopiero w ostatnim wyścigu, na torze w Katalonii. Holender przeprowadził na Bianchim kontrowersyjny atak, w wyniku którego wypchnął go z toru. W konsekwencji Francuz nie dojechał do mety i ze stratą zaledwie czterech punktów przegrał mistrzowski tytuł. Frijns stracił punkty uzyskane w tamtym wyścigu, jednak nie zmieniło to wyników mistrzostw. Pomimo protestu Bianchiego sędziowie postanowili zachować wyniki. Ostatecznie Bianchi ośmiokrotnie stawał na podium, z czego trzykrotnie na najwyższym stopniu. Pięciokrotnie przy tym startował z pole position oraz siedmiokrotnie odnotował najszybszy czas okrążenia w wyścigu.