2012 ging Vergne zusammen mit Daniel Ricciardo für Toro Rosso in der Formel 1 an den Start. Bei seinem Debütrennen in Australien erreichte er den elften Platz. Ein Rennen später, beim Großen Preis von Malaysia profitierte Vergne bei immer nasser werdenden Wetterbedingungen davon, dass das Rennen unterbrochen wurde, und er ohne Boxenstopp von Intermediate auf die Regenreifen wechseln konnte. Er erreichte schließlich auf dem achten Platz das Ziel und erzielte seine ersten Punkte. Im weiteren Saisonverlauf folgten mit drei achten Plätzen weitere Punkteplatzierungen. Vergne setzte sich teamintern mit 16 zu 10 Punkten gegen Ricciardo durch und lag am Saisonende auf dem 17. Platz der Fahrerweltmeisterschaft.