2012年6月5日、イングランド・プレミアリーグの名門マンチェスター・ユナイテッドFCへの完全移籍の合意が両クラブから発表され、同月22日にメディカルチェックをパス、労働許可書を取得し、正式契約を結んだ。

契約は2012年7月1日からの4年間。背番号はセレッソ時代にも着用していた26番に決まった。

2012年8月20日、リーグ開幕戦エヴァートンFC戦でプレミアリーグデビューを果たすと、続く8月25日の第2節フラムFC戦でプレミアリーグ初得点を決めた。

10月23日、CLグループリーグ第3節スポルティング・ブラガ戦で左膝を負傷し、2カ月の間戦列から離れてしまったが、12月29日のウェストブロム戦で復帰を果たした。

2013年2月13日、CL決勝トーナメント1回戦1sdレグのレアル・マドリード戦では、先発出場で日本人5人目となるCL決勝トーナメント出場を果たしアウェーゴールに貢献。2ndレグでは出場機会はなく、チームも敗退した。

3月2日のノリッジ・シティFC戦でヨーロッパ移籍後初、プレミアリーグにおいてアジア人選手初のハットトリックを達成した。

2012年8月25日
12/13プレミアリーグ
マンチェスター・ユナイテッド 3 - 2 フラム
kagawa12-13mu003[動画]香川真司のゴール - 12/13マンチェスター・U 1点目(2012/8/25)
2012年9月26日
12/13プレミアリーグ
マンチェスター・ユナイテッド 2 - 3 トテナム・ホットスパー
kagawa12-13mu002[動画]香川真司のゴール - 12/13マンチェスター・U 2点目(2012/9/26)
2013年3月2日
12/13プレミアリーグ
マンチェスター・ユナイテッド 4 - 0 ノーウィッチ・シティ
kagawa12-13mu001[動画]香川真司のゴール - 12/13マンチェスター・U 3、4、5点目(2013/3/2)
A代表 | マンU | UEFA | 11/12ドイツ | 10/11ドイツ | DFBポカール - 香川のゴール

香川、アジア人初のプレミアリーグ・ハットトリック(2013/3/2)