På Liège–Bastogne–Liège brøt han bort solo da han angrep på nedstigningen av Cote de la Roche aux Faucons og slapp sine viktigste utfordrere med igjen, men han ble passert av Maxim Iglinsky ( Astana ) i sikte av den siste kilometeren. Han holdt på til andreplass. venstre|miniatyr| Nibali på Tour de France 2012 Nibali valgte å fokusere oppmerksomheten på Tour de France, og hoppet over Giro d'Italia for å forberede seg. Etter en solid første uke, endte Nibali på fjerde plass på den første toppturen på etappe sju for å heve seg til tredjeplass i totalstillingen, seksten sekunder bak lederen Wiggins og seks bak den forsvarende mesteren Cadel Evans . Imidlertid slapp Nibali inn over to minutter til Wiggins i tidsprøven på etappe ni, hvor han ble nummer åtte, og raste til fjerde på GC, bak Team Sky Froome. På etappe ti angrep Nibali på nedstigningen av Col du Grand Colombier og koblet opp med lagkamerat Peter Sagan, men paret ble fanget opp av Team Sky-ledet peloton. Nibali gikk til angrep igjen på den påfølgende etappen, som avsluttet med en stigning til La Toussuire, og la tid til Wiggins og Froome, bare for at paret skulle dra seg tilbake til Nibali, selv om han rykket opp til tredje sammenlagt etter at Evans tapte tid. Han angrep igjen på etappe 16 på Col de Peyresourde med bare Wiggins og Froome i stand til å jage. De fanget ham før toppen; Nibali akselererte igjen, men Wiggins tettet gapet og de tre avsluttet sammen. Nibali tapte tid til Wiggins og Froome den påfølgende etappen, nok en fjelletappe, denne gangen med en toppavslutning og to etapper senere i den siste individuelle tidsforsøket som Wiggins vant. Nibali endte på tredjeplass, den eneste rytteren som kom i mål innen ti minutter etter Wiggins og Froome.