Jabarkan Scuderia Toro Rosso dari Sébastien Bourdais

Aroma kehebatan Bourdais kembali tercium pada tahun 2007, kali ini oleh Scuderia Toro Rosso yang memberikannya kesempatan testing. Tanggal 10 Agustus 2007 diumumkan oleh STR bahwa mereka akan memakai jasa Sebastien Bourdais untuk musim 2008 untuk menggantikan posisi Vitantonio Liuzzi, dan akan bertandem bersama jagoan muda Jerman, Sebastian Vettel. Tanggal 16 Maret 2008 secara resmi akhirnya Bourdais bisa turun balapan di F1 di GP Australia. Ia kemudian meraih poin pertamanya di Australia walaupun hanya mampu menempuh jarak balapan 90% (pembalap lain banyak yang tersingkir akibat kecelakaan, dan hanya delapan pembalap yang bisa masuk garis finish). Empat jam setelah balapan usai, Bourdais dinyatakan naik ke P7 dan mendapatkan dua poin setelah Rubens Barrichello di-DQ oleh pengawas lomba akibat keluar pit saat lampu merah masih menyala.

Di GP Belgia ia nyaris saja meraih posisi podium ketiga kalau saja ia tidak melintir saat balapan yang diwarnai hujan mendadak tersebut. Akhirnya ia harus puas berada di P7 pada akhir balapan. Minggu selanjutnya di Italia, Bourdais mampu menempati P4 saat kualifikasi, namun sayang transmisinya macet di grid, dan akhirnya ia harus start dari pit. Hasilnya ia finish dengan selisih satu lap dari rekan setimnya sendiri, Sebastian Vettel.

Di GP Jepang, Bourdais sebenarnya mampu finish keenam, tetapi hanya dua jam setelah lomba, pihak pengawas lomba memutuskan untuk memberikan penalti 25 detik pada Bourdais setelah terlibat insiden dengan Felipe Massa, dan mengakibatkan posisinya jatuh ke P10. Pemberian hukuman ini terasa kontroversial bagi sebagian kalangan paddock karena dari tayangan TV, terlihat bahwa Felipe Massa-lah yang sebenarnya menjadi pemicu insiden. Di akhir musim, Bourdais berada di P17 klasemen akhir dengan raihan 4 poin saja.

Memasuki musim dingin 2008, posisi Bourdais di F1 sempat terombang-ambing walaupun ia masih tetap turun di ajang testing. Namun akhirnya pada tanggal 6 Februari 2009 ia diumumkan akan tetap turun bersama STR untuk musim 2009, bersama rekan setimnya yang baru dari Swiss, Sébastien Buemi. Namun meskipun Bourdais mampu meraih angka di Australia dan Monako ia kesulitan untuk mengimbangi rekan setimnya yang masih hijau yang ternyata bisa membuat lebih banyak prestasi. Di Spanyol, Bourdais menabrak mobil Buemi untuk menghindari kecelakaan yang ditimbulkan oleh Jarno Trulli di lap pertama, yang ironisnya malah mengakibatkan ketiganya tersingkir dari lomba. Di Inggris, Bourdais malah menghantam mobil Heikki Kovalainen (McLaren) yang mengakibatkan keduanya tersingkir. Di Jerman, Bourdais tersingkir karena kegagalan mekanis.

Pada 16 Juli 2009, tim STR mengumumkan bahwa Bourdais tidak membalap lagi untuk mereka mulai pertengahan musim 2009 di Hungaria, dan posisinya akan digantikan pemuda Spanyol Jaime Alguersuari. Bos STR, Franz Tost menyatakan bahwa kemitraan timnya dengan Bourdais di luar yang diharapkan. Bourdais lantas berniat akan menuntut tim STR, dengan klaim bahwa tim melanggar kontrak dengan memutus kontrak balapan Bourdais tanpa keterangan yang jelas. STR lantas membayar Bourdais uang ganti rugi sebesar 2,1 juta dollar AS sebagai jalan damai untuk menghindarkan tuntutan dari Bourdais ke ranah hukum.