Bourdais debutó en la Fórmula 1 en el Gran Premio de Australia de 2008. Hizo una gran carrera, pero rompió el motor a cuatro vueltas para el final cuando iba en cuarta posición, aunque puntuó por haber completado más del 90% de la carrera. En Malasia sufre un accidente en la primera vuelta y abandona. En la tercera carrera, en Baréin, acaba 15º; y en tiene que abandonar. En Estambul, se sale de pista, sumando así un nuevo abandono. En el Gran Premio de Mónaco también sufre un accidente, mientras que en las siguientes pruebas logra acabar pero tampoco obtiene buenos resultados. Ante este panorama, Bourdais veía como su asiento peligraba, pero en las últimas carreras, el francés mejora sus prestaciones y realiza clasificaciones muy interesantes. En Spa, el piloto francés por fin regresa a la zona de puntos. En Italia, tras clasificarse cuarto, su monoplaza se quedó parado en la salida y partió último; y en el Gran Premio de Japón, la FIA le sanciona con la adición de 25 segundos por un toque con Felipe Massa, por lo que quedó relegado de la sexta a la décima posición. Así, acaba la temporada con solo cuatro puntos en su casillero y su futuro en el aire. Sin embargo, su mejoría en la recta final de la temporada finalmente convence a Toro Rosso para renovar su contrato después de barajar la alternativa de Takuma Satō.