2010 ging Buemi erneut für Toro Rosso an den Start. Im freien Training zum Großen Preis von China sorgte Buemi mit einem kuriosen Unfall, bei dem ihm beim Anbremsen beide Vorderräder wegbrachen, für Schlagzeilen. Buemi verließ das Auto im Kiesbett unverletzt. Beim Großen Preis von Kanada übernahm Buemi zum ersten Mal in seiner Formel-1-Karriere die Führung eines Rennens und behielt diese für eine Runde. Außerdem erzielte er mit einem achten Platz seine beste Saisonplatzierung. Am Saisonende belegte er erneut den 16. Platz in der Fahrerweltmeisterschaft. Mit acht zu fünf Punkten setzte er sich intern erneut gegen Alguersuari durch.