Il 28 novembre 2014 è stato annunciato il suo ingaggio da parte della Scuderia Toro Rosso per il campionato mondiale di Formula 1 2015. Al Gran Premio d'esordio in Australia Sainz si dimostra competitivo, ma a causa di problemi al pitstop termina la gara al 9º posto, ottenendo con tale piazzamento i primi punti iridati. In Malesia ottiene di meglio, chiudendo 8º. In Cina non guadagna alcun punto, né tantomeno in Bahrain dove si ritira per un guasto meccanico. In Spagna chiude 9º dopo aver raggiunto la quinta posizione in qualifica. A Monaco arriva decimo dopo essere partito dalla corsia box. Dal gran premio del Canada a quello di Monza non ottiene nessun punto, complice i tanti ritiri. A Singapore chiude nono, dietro al compagno di squadra Max Verstappen. In Giappone chiude decimo. Nel finale di stagione ottiene solo un piazzamento a punti, negli Stati Uniti, dove chiude in settima posizione. Conclude la stagione al 15º posto, con 18 punti conquistati.