W ostatnim dniu sierpniowego okna transferowego w 2012 roku Bendtner dołączył do włoskiego klubu Serie A Juventus na wypożyczenie na ten sezon, z opcją na stały transfer. Debiutował jako substytut Fabio Quagliarelli w zwycięstwie 2:0 przeciwko Chievo na stadionie Juventusu 22 września 2012 roku, a jego pierwszy start nastąpił pięć tygodni później w zwycięstwie 1:0 przeciwko Catanii. W grudniu ponownie startował w meczu z Cagliari w Coppa Italia, ale doznał urazu uda, który wymagał operacji i spodziewano się, że będzie nieobecny przez co najmniej dwa miesiące. Podczas gdy został wykluczony z powodu kontuzji, był w centrum kontrowersji, gdy został aresztowany za prowadzenie pojazdu pod wpływem alkoholu w dniu 4 marca 2013 r. Bendtner wrócił do gry dopiero w ostatnim meczu sezonowym Juventusu.
Z tytułem już zabezpieczonym. Wchodząc na 74-minutową zmianę w 3 do 2 porażce na wyjeździe do Sampdorii 18 maja 2013 roku, złamał nadgarstek pod koniec meczu. Zakończył sezon z zaledwie dwoma startami w lidze i bez bramki w jedenastu występach we wszystkich zawodach. Juventus postanowił nie przeprowadzać wypożyczenia na stałe, a Bendtner powrócił do Arsenalu.