Confermato dalla Sauber anche per il campionato 2012, Kobayashi iniziò la stagione in maniera positiva, approfittando di vari incidenti nell'ultimo giro per ottenere un sesto posto nell'iniziale Gran Premio d'Australia. In Malesia il pilota giapponese non brillò, risultando nettamente meno efficace dal compagno di squadra Sergio Pérez sia in qualifica che in gara, anche a causa di una diversa strategia. Nel Gran Premio di Cina Kobayashi tornò a punti, giungendo decimo proprio davanti al compagno di squadra e facendo segnare anche il giro più veloce in gara per la prima volta in carriera. In Spagna, nonostante un problema tecnico che gli impedì di prendere parte all'ultima sessione di qualifiche, ripeté il suo miglior piazzamento in carriera, tagliando il traguardo in quinta posizione. Dopo un ritiro per incidente nel Gran Premio di Monaco, in Canada Kobayashi tornò a punti, tagliando il traguardo in nona posizione. Anche in questa occasione, però, la sua prestazione fu messa in ombra dal risultato del suo compagno di squadra, che, anche grazie ad una strategia più efficace, giunse a podio. Nel Gran Premio di Germania Kobayashi arrivò quinto, guadagnando un'ulteriore posizione grazie ad una penalità inflitta a Sebastian Vettel.