Поиски места пилота в других командах Формулы-1 не привели к успеху и швейцарец решил попробовать себя в гонках спортпрототипов, найдя себе место сначала в ELMS, а позже договорившись с заводской программой Toyota в LMP1, где с 2013 года стал одним из полноценных пилотов. В экипаже с имеющими немалый опыт подобных гонок Стефаном Сарразаном и Энтони Дэвидсоном Буэми вскоре составил весьма результативную команду: в 2013 году экипаж занял второе место в 24 часах Ле-Мана, а в ноябре одержал свою первую победу в серии — в шестичасовой гонке в Бахрейне. Накануне следующего сезона перестал быть напарником по экипажу Сарразан, а призванный его заменить Николя Лапьер смог проехать лишь половину гонок, после чего Буэми и Дэвидсон работали вдвоём. Toyota, выиграв четыре из первых семи гонок чемпионата, за гонку до конца сезона обеспечила себе титул; при этом главная гонка года сложилась не слишком удачно — в Ле-Мане машина финишировала лишь третьей, после того как Лапьер ошибся на мокрой трассе.