2009 erhielt Buemi ein Formel-1-Cockpit bei der Scuderia Toro Rosso, dem Schwesterteam von Red Bull. Er wurde damit zum ersten Schweizer seit Jean-Denis Delétraz 1995, der einen Formel-1-Grand-Prix bestritt. Sein Teamkollege war Sébastien Bourdais, der schon im Vorjahr für Toro Rosso fuhr. Bereits bei seinem ersten Grand Prix in Australien gelang es Buemi, als Siebter zwei Punkte zu holen. Zwei Rennen später beim Großen Preis von China kam Buemi als Achter erneut in den Punkterängen ins Ziel. Im weiteren Saisonverlauf erzielte er zunächst keine weiteren Punkte, da Toro Rosso im Vergleich zu den anderen Teams langsamer entwickelte. Allerdings qualifizierte sich Buemi im Qualifying regelmäßig vor seinen Teamkollegen Bourdais. Zusammen mit für die Verhältnisse guten Leistungen im Rennen zeigte sich nach einigen Rennen, dass Buemi fähig war, mit seinen erfahreneren Teamkollegen mitzuhalten. Somit war Buemi indirekt für die Entlassung Bourdais verantwortlich. Sein neuer Teamkollege wurde ab dem Großen Preis von Ungarn Jaime Alguersuari, der wie Buemi seine erste Formel-1-Saison absolvierte und aus dem Red-Bull-Förderprogramm kam. Bei den letzten zwei Saisonrennen in Brasilien und Abu Dhabi gelang es Buemi als Siebter bzw. Achter erneut Punkte zu holen. Mit sechs Punkten beendete er seine erste Saison auf dem 16. Gesamtrang.