Miller fikk en god start på sin andre sesong med ti sacks i de ni første kampene. I samme periode hadde han 30 quarterback hurries, som var mer enn han hadde hatt i hele 2011-sesongen. Takket være den solide starten ble han sett på som en kandidat for ligaens MVP-tittel. Den 16. november fikk han en bot på $21 000 for en takling på Carolina Panthers' quarterback Cam Newton i uke 10. Han ble utpekt til AFC Defensive Player of the Week for andre gang i sin karriere etter å ha tre sacks og forårsaket to fumbles i en kamp mot San Diego Chargers uken derpå. Han ble også utpekt til AFC Defensive Player of the Month for november. Den 26. desember 2012 ble han utpekt til startende outside linebacker for AFC i Pro Bowl 2013. Miller avsluttet sesongen som #3 i sacks med 18,5, og slo dermed Denver Broncos' lagrekord på 17 som tilhørte Elvis Dumervil. Han var også nummer to i avstemningen for Defensive Player of the Year og ble utpekt til All-Pro førstelag. I divisjonsrunden av sluttspillet hadde Miller ni taklinger og to quarterback hits da Denver tapte 38–25 på dobbel overtid mot Baltimore Ravens.