I 2004 kom han inn på Toyotas førerakademi og begynte snart sin karrière i formelbil-racing. Hans neste steg var Formel Renault, hvor han konkurrerte i det asiatiske, det tyske, det italienske og det nederlandske mesterskapet og tok to løpsseire i det italienske mesterskapet. Kobayashi fortsatte i Formel Renault-klassen, og vant etter hvert både det italienske og det europeiske mesterskapet med seks seiere i hvert av dem.