През сезон 2012 Уилямс не подновяват договор на опитния бразилски пилот [[Рубенс Барикело]] и на негово място идва племеникътплеменникът на легендарния трикратен световен шампион от Бразилия [[Айртон Сена]] – [[Бруно Сена]]. Така в Уилямс се оформя латиноамериканско дуо. Сезон 2012 не започва по най-добрия начин за Пастор, защото първите две състезания не отбелязва нито една точка и първите му точки в актива идват в третото състезание за сезона ([[2012 Голяма награда на Китай|гран при на Китай]]). В четвъртото състезание той също не отбелязва нито една точка. Подобрената форма на Уилямс за [[2012 Голяма награда на Испания|гран при на Испания]] дават шанса на Пастор да се представи на топ ниво и той го прави. С невероятен първи пол позишън за Уилямс от [[2010 Голяма награда на Бразилия|гран при на Бразилия 2010]] Пастор печели състезанието и издига Уилямс на върха на почетната стълбичка за първи път от [[гран при на Бразилия 2004]] когато това го прави [[Хуан Пабло Монтоя]]. Така той печели първата победа в кариерата си и става първият венецуелски пилот печелил някога състезание от Формула 1. След това състезание се наблюдава рязък спад в представянето му, като в следващите девет съсезания не влиза нито веднъж в зоната на точките и често бива наказван поради сблъсъци с различни пилоти от падока като [[Педро де ла Роса]] – в [[2012 Голяма награда на Монако|Монако]], [[Люис Хамилтън]] – във [[2012 Голяма награда на Европа|Валенсия]], [[Серхио Перес]] – на [[2012 Голяма награда на Великобритания|Силвърстоун]] и [[Пол ди Реста]] – в [[2012 Голяма награда на Унгария|Унгария]]. В квалификацията на [[2012 Голяма награда на Белгия|ГП на Белгия]] завършва 3-ти, но е наказан с 3 места назад, защото задържа Хюлкенберг по време на първата част. Още в началните обиколки на състезанието отпада, след като става част от голямата катастрофа на старта, а след това се сблъсква и с [[Тимо Глок]] при опит за изпреварване, което му коства 10 места към стартовата му позиция в [[2012 Голяма награда на Италия|Монца]].
