22 fokos levegő hőmérséklet és 48 fokos páratartalom fogadta a mezőnyt a harmadik szabadedzésen. Az első gyors kört a hazai nagydíját teljesítő Mark Webber futotta, aki az élre is állt ezáltal. 04:06-ra mindenki teljesítette az installácis köröket, és mindenki kapkodta magát, hiszen csúnya felhők kúsztak szépen lassan Melbourne és az Albert Park felé, mindenki tudta, hogy hamarosan eső várható. 04:20 körül el is eredt az eső, mára lelátókon is előkerültek az esernyők.
A szakad esőben aztán Grosjean állt az élen, aki még szuper lágy gumikkal tudott gyors kört menni. Az állapotok kicsit sem voltak ideálisak, a versenyzők csak szenvedtek a pályán. Néhányan erőlködtek ugyan, a Ferrari, Toro Rosso és a Sauber pályára küldte pilótáit, de a McLaren csapatfőnöke, Martin Whitmarsh gyorsan tisztázta, hogy ők ugyan ki nem hajtanak má ezen az edzésen a garázsból. Perez azért csak kihajtott az aszfaltcsíkra adatokat gyűjteni.
Az eső 04:45 körül állt el, a pálya elkezdett száradni. A csapatok átálltak esőgumiról az intermediate abroncsokra. Az első két szabadedzst megnyerő Vettel autója aztán hirtelen leállt a 4-es kanyarban. A németnek a hidraulikával akadtak gondjai, ezért szólt rá a csapat rádión, hogy azonnal állítsa le az RB9-est. Vettel ki is szállt a versenygépből. Az időmérő edzés 07:00 órakor veszi kezdetét.
Végeredmény:
| Poz/ Pilóta | Csapat | Idő | Hát | Kör |
| 1. Romain Grosjean | Lotus Renault | 1m26.929 | 14 | |
| 2. Fernando Alonso | Ferrari | 1m27.000s | + 0.071s | 7 |
| 3. Felipe Massa | Ferrari | 1m27.241s | + 0.312s | 10 |
| 4. Paul di Resta | Force India-Mercedes | 1m27.533s | + 0.604s | 9 |
| 5. Kimi Raikkonen | Lotus-Renault | 1m27.625s | + 0.696s | 12 |
| 6. Daniel Ricciardo | Toro Rosso-Ferrari | 1m27.849s | + 0.920s | 19 |
| 7. Jean-Eric Vergne | Toro Rosso-Ferrari | 1m27.860s | + 0.931s | 16 |
| 8. Adrian Sutil | Force India-Mercedes | 1m28.069s | + 1.140s | 15 |
| 9. Nico Hulkenberg | Sauber-Ferrari | 1m28.253s | + 1.324s | 18 |
| 10. Esteban Gutierrez | Sauber-Ferrari | 1m28.253s | + 1.324s | 20 |
| 11. Nico Rosberg | Mercedes | 1m28.486s | + 1.557s | 13 |
| 12. Sebastian Vettel | Red Bull-Renault | 1m29.808s | + 2.879s | 9 |
| 13. Mark Webber | Red Bull-Renault | 1m30.073s | + 3.144s | 16 |
| 14. Jules Bianchi | Marussia-Cosworth | 1m30.388s | + 3.459s | 17 |
| 15. Giedo van der Garde | Caterham-Renault | 1m30.598s | + 3.669s | 20 |
| 16. Charles Pic | Caterham-Renault | 1m30.959s | + 4.030s | 19 |
| 17. Jenson Button | McLaren-Mercedes | 1m33.236s | + 6.307s | 7 |
| 18. Sergio Perez | McLaren-Mercedes | 1m33.527s | + 6.598s | 8 |
| 19. Pastor Maldonado | Williams-Renault | 1m39.232s | +12.303s | 13 |
| 20. Valtteri Bottas | Williams-Renault | 1m39.779s | +12.850s | 13 |
| 21. Max Chilton | Marussia-Cosworth | 1m42.872s | +15.943s | 13 |
| 22. Lewis Hamilton | Mercedes | 1m47.246s | +20.317s | 9 |