Bonucci va començar la temporada guanyant la Supercopa Italiana 2012
amb la Juventus. Va debutar a la Lliga de Campions contra el Chelsea a la fase de grups i va marcar el seu primer gol a la competició contra Shaktar Donetsk a l'octubre de 2012 en un empat de 1 a 1. El desembre de 2012 Bonucci va ser criticat per submergir-se en un partit de lliga contra el Palermo, que va ser descrit per una sèrie de periodistes com "el pitjor immersió de sempre". Va ser reservat per l'àrbitre durant el partit i posteriorment va rebre una suspensió d'un partit i una multa de 2000 € per part de les autoritats. La Juventus va acabar la temporada guanyant el títol de la Serie A 2012-13.