Позиции Кобаяси в программе Toyota всё больше слабели, но осенью 2009 года японец вытянул свой счастливый билет: в подразделении Toyota в Формуле-1 из-за последствий серьёзной аварии в квалификации перед Гран-При Японии выбыл из строя один из боевых пилотов Toyota Тимо Глок, а на его замену было решено пригласить Камуи, к тому моменту уже закончившего сезон в GP2. Пара лет работы различной тестовой работы с командой в сочетании с неплохим автомобилем положительно сказались на дебюте японца: в первом же своём Гран-при он квалифицировался одиннадцатым, а уже в своей второй гонке: на Гран-при Абу-Даби, набрал первые очки, опередив и опытного напарника по команде Ярно Трулли и Кими Райкконена на Ferrari. За два боевых уик-энда в Формуле-1 Камуи заметно улучшил к себе отношение как в программе Toyota, так и у многих потенциальных спонсоров и работодателей, а потому, когда осенью японский концерн принял решение свернуть свою программу в чемпионате мира, Кобаяси сравнительно легко нашёл себе место боевого пилота в другой команде.