Cain komst í undanúrslit í annað sinn í ferlinum þegar Giants unnu NL West eftir að hafa misst af undanúrslitunum árið 2011. Í leiknum 1 í deildaröð NL gegn Cincinnati Reds þann 6. október leyfði hann þrjú ræs í fimm innistöðum og tók tapið þegar Reds sigruðu Giants 5-2. Í leiknum 5 þann 11. október byrjaði hann leikinn með fjórum markalausum innrásum; Cain myndi leyfa þremur hlaupum yfir innrásir þar sem Giants unnu 6 <unk> 4 til að komast í næstu umferð úrslitakeppninnar. Í leiknum 3 í
Í NLCS gegn Cardinals þann 17. október leyfði Cain þrjú hlaup í innings og var ákærður fyrir tapið þar sem Giants töpuðu 3<unk>1. Þann 29. október, í leiknum 7, kastaði Cain lokaleik og vann sigurinn þar sem Giants unnu 9<unk>0, og var það í annað sinn í úrslitakeppninni sem Cain hafði unnið leik sem náði að vinna seríuna. Í 4. leik 2012 World Series gegn Tigers þann 28. október leyfði Cain þremur hlaupum í sjö umferðum, og fékk enga ákvörðun þar sem Giants unnu 4 × 3 í 10 umferðum til að vinna World Series í annað sinn á þremur árum.