Pada 14 Disember, 2011, ia telah disahkan secara rasmi bahawa Vergne akan berlumba untuk Toro Rosso pada musim 2012, bersama-sama dengan ahli Red Bull Junior Team, Daniel Ricciardo. Selepas mendapat tempat kesebelas pada pusingan kelayakan dan perlumbaan di Grand Prix Australia, Vergne mendapat mata Kejuaraan Dunia pertamanya pada perlumbaan berikutnya di Malaysia dengan mendapat tempat kelapan. Di Grand Prix Eropah, Vergne berlanggar dengan Heikki Kovalainen ketika cuba memintasnya. Selepas perlumbaan tersebut, steward perlumbaan mengatakan bahawa kemalangan tersebut dapat dielakkan dan Vergne yang menyebabkan kemalangan tersebut. Beliau menerima penalti sepuluh-petak kedudukan di Grand Prix British, dan dikenakan denda €25.000. Vergne sekali lagi mendapat tempat kelapan di Grand Prix Belgium, Grand Prix Korea dan Grand Prix Brazil (perlumbaan terakhir). Vergne menamatkan musim 2012 di tangga ke-17 dalam Kejuaraan Pemandu Dunia dengan 16 mata.