2009 blieb Alguersuari bei Carlin. Zusammen mit Turvey wechselte er in die Formel Renault 3.5. Er gewann ein Rennen in Portimão und wurde zweimal Dritter. Mit einem Sieg belegte er am Saisonende den sechsten Platz der Gesamtwertung. Mit 88 zu 93 Punkten unterlag er Turvey intern knapp. Darüber hinaus gab Alguersuari 2009 sein Formel-1-Debüt. Nachdem er zuerst einer von drei Testfahrern von Red Bull Racing war, wurde er Mitte Juli als Ersatz für Sébastien Bourdais vom Red-Bull-Schwesterteam, der Scuderia Toro Rosso, verpflichtet. Mit seinem Start beim Großen Preis von Ungarn wurde Alguersuari zum jüngsten Starter bei einem Formel-1-Rennen. Er war bei seinem ersten Grand Prix 19 Jahre und 125 Tage alt. Bei acht Rennen schied er fünfmal aus. Ein 14. Platz war sein bestes Ergebnis. Er beendete die Saison auf dem 24. Gesamtrang.