Pada 28 November 2014, diumumkan bahwa Sainz akan membalap di arena F1 bersama tim Scuderia Toro Rosso untuk musim . Ia bermitra dengan pembalap Belanda Max Verstappen di tim tersebut menyusul dipromosikannya Daniil Kvyat ke Red Bull Racing. Sainz memilih nomor #55 sebagai nomor mobil permanennya. Ia berhasil masuk ke posisi start 10 besar dalam debut perdananya di Australia, dan menyelesaikan lomba di posisi sembilan. Pada sesi latihan bebas ketiga di Grand Prix Rusia 2015, Sainz kehilangan kendali atas mobilnya saat memasuki area tikungan ke-13 di Autodrom Sochi, menabrak dinding dan kemudian menabrak tembok pembatas Tecpro. Setelah menghabiskan satu malam di rumah sakit, ia diizinkan untuk bisa turun lomba pada hari berikutnya namun gagal finis. Pada lomba Grand Prix Amerika Serikat ia berhasil finis ketujuh yang merupakan poin terakhirnya tahun ini. Ia finis di posisi 15 di musim pertamanya bersama Toro Rosso.