In seiner Funktion als Ersatzfahrer des Toyota-Teams nahm er an den Freitagstrainings des Großen Preises von Japan 2009 teil. Er vertrat dabei Timo Glock, der aus gesundheitlichen Gründen nicht fahren konnte. Beim Großen Preis von Brasilien bestritt er als Ersatz für den noch immer verletzten Glock sein erstes Formel-1-Rennen. Kobayashi gab ein gutes Debüt und hielt den späteren Weltmeister Jenson Button einige Runden hinter sich. Am Ende belegte er den neunten Platz. Auch in Abu Dhabi ging Kobayashi für den verletzten Glock an den Start und holte mit einem sechsten Platz erstmals Punkte in der Formel 1.