19 września 2008 roku szef zespołu Franz Tost w rozmowie ze szwajcarskim dziennikiem Le Matin zapowiedział, że chce by młody Szwajcar ścigał się w ekipie z Faenzy w sezonie 2009.
Buemi został oficjalnie potwierdzony jako kierowca wyścigowy zespołu Toro Rosso 9 stycznia 2009 roku. Jak sam twierdził, kontrakt na starty został podpisany już w grudniu.
Sezon 2009 rozpoczął od 7 miejsca w GP Australii i 2 punktów. W GP Malezji nie udało mu się zająć miejsca w punktowanej ósemce. GP Chin ukończył na 8 miejscu zdobywając punkt.
W sezonie 2010 punktował w GP Monako po karze nałożonej na Schumachera. Dwa wyścigi później, w GP Kanady zajął 8. miejsce, przez jedno (14) okrążenie prowadził w wyścigu. mały|Buemi w barwach Renault e.Dams
Formuła E W sezonach 2014/2015, 2015/2016, 2016/2017, 2017/2018, 2018/2019, 2019/2020, 2020/2021 i 2021/2022 był zawodnikiem zespołu e.dams Renault (później Renault e.Dams i Nissan e.Dams). W sezonie 2015/2016 wygrał klasyfikację generalną kierowców (zdobył wtedy 155 punktów).