14 grudnia 2011 został potwierdzony jako kierowca wyścigowy Scuderia Toro Rosso w Formule 1. W pierwszym sezonie startów czterokrotnie kończył wyścigi na ósmym miejscu (w Malezji, Belgii, Korei Południowej i Brazylii). Ostatecznie uzbierane szesnaście punktów dało mu siedemnaste miejsce w końcowej klasyfikacji kierowców. Rok później walka pomiędzy Vergne a Danielem Ricciardo o posadę kierowcy w Red Bull Racing rozgorzała na dobre, ponieważ Mark Webber ogłosił zakończenie kariery. W pierwszej części sezonu lepiej spisywał się Francuz, który Grand Prix Kanady ukończył na szóstej pozycji. Jednak w drugiej połowie sezonu Vergne w ogóle nie zdobywał punktów, a Ricciardo niejednokrotnie plasował się w pierwszej dziesiątce. Ostatecznie to Australijczyk przeszedł do zespołu mistrzowskiego, jednak Francuzowi udało się wynegocjować przedłużenie kontraktu.