W sezonie 2011 do dotychczasowych sukcesów Sagan dołożył kolejne. Wygrał etap i klasyfikację punktową w Tour of California, potem dwa etapy i klasyfikację punktową w Tour de Suisse. Na początku sierpnia odniósł zwycięstwo w Tour de Pologne, w którym wygrał też dwa etapy i klasyfikację punktową. Po przedostatnim etapie w Bukowinie Tatrzańskiej stracił na krótko prowadzenie w klasyfikacji generalnej na rzecz ubiegłorocznego zwycięzcy Daniela Martina, jednak dzięki bonifikacie za drugie miejsce na ostatnim etapie w Krakowie ostatecznie odzyskał żółtą koszulkę. Po wyścigu przyznał, że był to jego największy sukces w dotychczasowej karierze.. Kilka tygodni później wygrał trzy etapy Vuelta a España.
W 2012 wygrał etap w Tirreno-Adriático, a następnie pięć z ośmiu etapów Tour of California i cztery z dziewięciu etapów Tour de Suisse. W lipcu 2012 zadebiutował w Tour de France, w którym wygrał trzy etapy i klasyfikację punktową.