Im Februar 2009 verlängerte Toro Rosso schließlich Bourdais Kontrakt um eine Saison. Nachdem er nach dem neunten Rennen nur zwei Punkte vorwies und es ihm nicht gelungen war, seinen jüngeren Teamkollegen Sébastien Buemi hinter sich zu lassen, beendete Toro Rosso die Zusammenarbeit mit Bourdais nach dem Großen Preis von Deutschland. Nach Aussagen des Teamchefs Franz Tost hatte er die „Erwartungen nicht erfüllt“. Bourdais wurde durch den bisherigen Testfahrer Jaime Alguersuari ersetzt. In der Weltmeisterschaft wurde Bourdais in dieser Saison 19. Parallel zu seinem Formel-1-Engagement trat er 2009 erneut für Peugeot zum 24-Stunden-Rennen von Le Mans an und beendete das Rennen erneut auf dem zweiten Platz. In dieser Saison bildete er mit Franck Montagny und Sarrazin ein Team. Außerdem startete er für Peugeot zu einem Rennen der American Le Mans Series (ALMS).