Neste sesong gikk tyngre, og han tok ikke sin første seier i 2012 før 26. august da han vant 9. etappe i Vuelta a España. Han gjentok bedriften på den 19. etappen. Gilbert ble verdensmester i landeveissykling under VM i landeveissykling, etter at han rykket fra hovedfeltet i den siste bakken, og kunne passere målstreken alene.