Sezon 2012/2013 rozpoczął od strzelenia dwóch goli w dwóch pierwszych meczach. W sierpniowym plebiscycie Ekstraklasy uznano go za „Piłkarza Miesiąca”. 1 grudnia 2012 w meczu przeciwko Wiśle Kraków strzelił 2400. bramkę dla Górnika w najwyższej klasie rozgrywkowej. Ponadto, w tamtym spotkaniu ujrzał czerwoną kartkę za brutalny faul na Michale Szewczyku, a Komisja Ligi zawiesiła go na dwa spotkania. Rundę jesienną, Milik, zakończył z siedmioma bramkami w czternastu ligowych spotkaniach. W plebiscycie katowickiego „Sportu” na najlepszego piłkarza roku zajął 6. miejsce.
Bayer Leverkusen 17 grudnia 2012 przeszedł do Bayeru Leverkusen i podpisał z niemieckim klubem 5,5-letni kontrakt. W Bundeslidze zadebiutował 3 lutego 2013 w spotkaniu z Borussią Dortmund, zmieniając w 87. minucie spotkania, Stefana Reinartza. 14 lutego 2013, zmieniając w 70. minucie meczu Ligi Europy z Benfiką, Gonzalo Castro, zadebiutował w europejskich pucharach. Ponadto tygodnik „Piłka Nożna” uznał go za „Odkrycie roku”.