W sezonie 2008 zadebiutował w Formule 1 w barwach zespołu Scuderia Toro Rosso. Już w pierwszym wyścigu w Grand Prix Australii zdobył pierwsze punkty w karierze. Francuz w ciągu sezonu zajmował wyższe pozycje od swojego partnera zespołowego Sebastiana Vettela do czasu, kiedy zadebiutował nowy bolid STR3. Wtedy Bourdais nie mógł kompletnie przystosować się do nowego wozu, przez co nie był w stanie osiągać dobrych rezultatów. Przełom przyszedł podczas Grand Prix Europy na torze w Walencji, gdzie zadebiutował nowy tor przypominający właśnie te z Ameryki. Wyścig ukończył wtedy na 10. miejscu, co było dobrym rezultatem zważywszy na jego wcześniejsze wyniki. W kolejnych eliminacjach było już coraz lepiej i nawet czasem był lepszy od swojego partnera, jednak brakowało mu szczęścia, m.in. podczas Grand Prix Belgii, gdzie w wyniku zamieszania stracił dwie pozycje na rzecz Roberta Kubicy i wspomnianego wcześniej Niemca. Podczas Grand Prix Włoch i Japonii zawiodła go elektronika. Otrzymał karę za kontrowersyjny incydent z Felipe Massą, przez co stracił 6. miejsce. Ostatecznie sezon ukończył na 17. miejscu z dorobkiem 4 punktów.