2015 erhielt Sainz bei der Scuderia Toro Rosso ein Formel-1-Cockpit. Er wählte die 55 als seine permanente Startnummer. Bereits beim Saisonauftakt in Australien erzielte er als Neunter erstmals Punkte. Im freien Training zum Großen Preis von Russland war Sainz in einen schweren Unfall involviert. Er kam von der Strecke ab und prallte mit hoher Geschwindigkeit gegen die Streckenbegrenzung. Sainz wurde vorsichtshalber ins Krankenhaus transportiert, überstand den Unfall jedoch unverletzt und trat zum Rennen am folgenden Tag an. Er schied dabei mit einem Bremsdefekt aus. Sainz' bestes Ergebnis war ein siebter Platz beim Großen Preis der USA. Die Saison schloss er mit 18 Punkten auf dem 15. Platz in der Fahrerwertung ab. Damit unterlag er Max Verstappen, der als Zwölfter 49 Punkte einfuhr.