Kaudella 2011 Vergne sai ajaa Toro Rosson autolla Korean, Abu Dhabin ja Brasilian perjantain ensimmäisissä vapaissa harjoituksissa. Hän sai lisäksi ajaa Red Bullin autolla Abu Dhabin nuorten kuljettajien testeissä, jossa hän oli nopein kuljettaja koko kolmen päivän ajan. Testit sujuivat hyvin ja talli harkitsi hänet jopa kilpakuljettajaksi jo kaudeksi 2012. Joulukuussa 2011 Toro Rosso -talli ilmoitti vaihtavansa molemmat nykyiset kuljettajansa ja näin Vergne sai sopimuksen tallin kuljettajaksi tallitoverinaan australialainen Daniel Ricciardo. Vergne saavutti uransa ensimmäiset MM-pisteet Malesian GP:ssä sijoittumalla kahdeksanneksi. Vergne ajoi pisteille myös Belgian, Korean ja Brasilian kilpailuissa ja oli kahdeksas jokaisessa. Kaiken kaikkiaan Vergne saavutti 16 pistettä sijoittuen sarjan 17:ksi.