Bonucci ha iniziato la stagione vincendo la Supercoppa Italiana 2012
Con la Juventus. Ha fatto il suo debutto in Champions League contro il Chelsea nella fase a gironi e ha segnato il suo primo gol nella competizione contro Shaktar Donetsk nell'ottobre 2012 in un pareggio 1<unk>1. Nel dicembre 2012 Bonucci è stato criticato per aver fatto un tuffo in una partita di campionato contro il Palermo che è stato descritto da un certo numero di giornalisti come "il peggior tuffo di sempre". È stato registrato dall'arbitro durante la partita e successivamente condannato alle autorità con una sospensione di una partita e una multa di 2000 euro. La Juventus ha concluso la stagione vincendo il titolo di Serie A 2012/13.