27 marca 2011, do wyścigu Grand Prix Australii inaugurującym sezon 2011 startował z 15 pozycji. Na 9 okrążeniu wyścigu w jego bolidzie pojawiły się problemy z układem przeniesienia napędu, w wyniku czego zmuszony był zakończyć wyścig. Do wyścigu o Grand Prix Malezji, który odbył się 10 kwietnia, startował z 18 miejsca startowego. Jednak na 8 okrążeniu musiał się wycofać z wyścigu z powodu problemów z zapłonem. Wyścig w Chińskiej Republice Ludowej i Turcji ukończył na 18. i 17. miejscu.
Sesje kwalifikacyjne Grand Prix Hiszpanii Maldonado ukończył na dziewiątej pozycji.
1 grudnia zespół AT&T Williams poinformował, że Pastor Maldonado będzie ich kierowcą w sezonie 2012. W kwalifikacjach do pierwszego wyścigu sezonu, Grand Prix Australii po raz czwarty w karierze awansował do trzeciej części kwalifikacji i wywalczył ósmą pozycję startową.
W Grand Prix Hiszpanii Wenezuelczyk odniósł, po zdobyciu pole positon pierwsze w karierze zwycięstwo w Formule 1. Był to jednak jedyny wysoki wynik kierowcy w sezonie. Ostatecznie dorobek 45 punktów dał mu piętnaste miejsce w klasyfikacji generalnej.