Bei den Formel-1-Wintertestfahrten im Dezember 2006 bekam Bourdais Gelegenheit, für das Formel-1-Team Toro Rosso zu testen. Er wiederholte die Tests im Laufe der Saison 2007 und bekam schließlich einen Vertrag für 2008 angeboten. Dort ging er an der Seite von Sebastian Vettel für das italienische Team an den Start. In seinem Debüt-Rennen, dem Großen Preis von Australien in Melbourne, erreichte er trotz eines Motorschadens zwei Runden vor Rennende noch den siebten Platz, nachdem Rubens Barrichello nachträglich disqualifiziert worden war. Im Laufe des Rennens hatte sich Bourdais bis auf Rang vier vorgearbeitet, bevor ihn der Defekt stoppte. Im weiteren Saisonverlauf gelang es Bourdais allerdings nur beim Großen Preis von Belgien, als Siebter weitere Punkte zu erzielen. Seine Leistungen wurden von seinem Teamkollegen deutlich in den Schatten gestellt. Während Vettel mit einem Sieg und 35 Punkten Achter in der Fahrerweltmeisterschaft wurde, beendete Bourdais die Saison mit vier Punkten auf dem 17. Platz. Toro Rosso ließ daraufhin zunächst die Option auf eine Vertragsverlängerung verstreichen und sondierte andere Möglichkeiten.