Después de que las lluvias dejaran el circuito completamente mojado, la mayoría de los stints de los equipos fueron con los neumáticos de Lluvia Extrema e Intermedios, siendo el piloto de Mercedes Nico Rosberg quien controló la tabla de tiempos durante esa fase. Sin embargo, los tiempos comenzaron a caer desde que varios pilotos quisieron probar los neumáticos lisos experimentales que Pirelli trajo expresamente a Canadá.
Fue finalmente Di Resta quien llegó a lo más alto al caer la bandera a cuadros, superando a su rival de McLaren y ganador de la carrera de 2011 Jenson Button. Grosjean colocó al Lotus en el tercer lugar, mientras que los ex Campeones del Mundo Fernando Alonso y Kimi Räikkönen le seguían de cerca. Daniel Ricciardo terminó sexto, mientras que Rosberg tuvo que conformarse con la séptima posición.
El vigente Campeón del Mundo Sebastian Vettel no pudo terminar más que en la P9, intercalado entre Sergio Pérez y su compañero del equipo Red Bull Mark Webber. El piloto de Ferrari Felipe Massa perdió el top ten por algo menos de una décima de segundo, con Lewis Hamilton terminando la sesión en la P16.
Varios pilotos sufrieron salidas de la pista, siendo Pastor Maldonado quien lo hizo de la manera más dramática. A falta de menos de cinco minutos para el final, el piloto de Williams perdió el control en la entrada de la curva 4, se estrelló contra las barreras y provocó daños en el nuevo chasis que el equipo le puso después de su espectacular accidente del Gran Premio de Mónaco.
En la batalla de la parte posterior de la parrilla, Giedo van der Garde abrió el camino para Caterham. El holandés superó a su rival de Marussia Max Chilton por 68 milésimas de segundo, con el debutante en unos Libres 1 Alexander Rossi poco más de un segundo más atrás.