Bourdais siirtyi vuodeksi 2008 Formula 1 -sarjaan Scuderia Toro Rossolle. Hän sai ensimmäisestä kilpailustaan kaksi MM-pistettä, vaikka keskeytti kolme kierrosta ennen maalia moottoririkkoon. hän jäi kuitenkin tallikaverinsa Sebastian Vettelin varjoon ja kärsi epäonnesta. Vuonna 2009 hän jatkoi F1-uraansa Toro Rossossa ja sai pisteitä Australiasta ja Monacosta. Toro Rosso ei kuitenkaan ollut edellisvuotisessa vedossaan ja vauhti oli aihahtelevaa. Bourdais sai kauden puolivälissä Saksan osakilpailun jälkeen Toro Rossolta potkut ja hänet korvasi espanjalainen Jaime Alguersuari. Hänen potkuista kiersi huhuja joka kilpailun jälkeen ja sai lopulta lähtöpassit Toro Rossolta. Bourdais saavutti Formula 1 -uransa aikana kuusi MM-pistettä.