Den 14. mars 2012 signerte Johnson en 8-årig kontraktforlengelse til en verdi av $132 millioner med Detroit Lions, med $60 millioner garantert, som gjorde Johnson til den best betalte mottakeren i ligaen. Johnson slo 42 andre spillere og eliminerte quarterback Cam Newton for å vinne plassen på forsiden av omslaget til den 25. april 2012 på . Johnson startet sesongen med seks mottatte pasninger for 11 yards mot St. Louis Rams. I uke 3 mot Tennessee Titans tok han imot 10 pasninger for 164 yards og en touchdown. I uke 6 mot Philadelphia Eagles tok han imot seks pasninger for 135 yards. I perioden uke 9 til uke 14 hadde han fem kamper på rad med minst 125 mottatte yards, som tangerte NFL-rekorden holdt av Pat Studstill. Prestasjoner i perioden inkluderer 207 yards og en touchdown mot Minnesota Vikings og 171 yards og en touchdown mot Indianapolis Colts. Mot Atlanta Falcons den 22. desember slo Johnson Jerry Rices sesongrekord på mottatte yards på 1 848. Johnson ble også utpekt til starter for NFC i Pro Bowl i Honolulu, Hawaii. I sesongavslutningen mot Chicago Bears avsluttet Johnson kampen med 72 yards, og var dermed bare 36 fra å nå ett sesongresultat på 2 000 mottatte yards. Johnson avsluttet sesongen som ligaleder i mottatte pasninger (122) og mottatte yards (1 964). Johnson ble den eneste spilleren i Super Bowl-æraen (siden 1967) til å ha 120 yards per kamp i snitt i en sesong, med 122,8 i 2012. Han ble igjen rangert som #3 på NFL Top 100 Players of 2013.