Pada tanggal 14 Desember 2011, secara resmi menegaskan bahwa Vergne akan berlomba untuk Toro Rosso di musim 2012, bersama rekan setimnya Daniel Ricciardo. Setelah kualifikasi dan finis di urutan ke 11 pada pembukaan musim Grand Prix Australia, Vergne mencetak poin Kejuaraan Dunia pertamanya pada balapan berikutnya di Malaysia dengan finis ke 8 dalam balapan yang dipengaruhi hujan. Di Grand Prix Eropa, ia berbelok ke mobil Heikki Kovalainen dari luar jalur balap selama upaya menyalip, merusak kedua mobil dengan parah dan menyebarkan cukup banyak puing di lintasan sehingga safety car harus dikerahkan. Setelah balapan, pengurus menemukan bahwa kecelakaan itu dapat dihindari dan bahwa Vergne yang menyebabkan kecelakaan itu. Dia akan menerima penalti ganda 10 posisi untuk hasil kualifikasinya di Grand Prix Inggris, bersama dengan denda € 25.000.