З 2015 року Сайнс виступає в Формулі-1, вибравши особистий номер 55. Його першою командою була Toro Rosso, першим напарником — Макс Ферстаппен. Карлос Сайнс набрав очки в своїй дебютній гонці Формули-1 — Гран-прі Австралії 2015 року, проте в цілому поступився своєму напарнику по підсумках сезону. Сайнс набрав 18 очок і зайняв в чемпіонаті 15 місце, в цей час як Ферстаппен був 12-м, з 49 очками. Найкращий результат в сезоні Карлос Сайнс завоював в дощовому Гран-прі США, фінішувавши 7-м; при цьому в домашньому Гран-прі Іспанії Сайнс стартував п'ятим, що на даний момент є його найкращою стартовою позицією. В Сінгапурі Макс Ферстаппен відмовився пропускати Карлоса Сайнса, всупереч приказу команди.