Buemi se estrenó con Toyota en Le Mans en 2012, aunque su compañero Anthony Davidson sufrió un accidente y su primera participación fue un abandono. Repitió en 2013 y lograron ser segundos en las 24 Horas de Le Mans antes de acabar terceros en 2014. Ese año, sin embargo, fueron campeones del WEC gracias a cuatro victorias durante el año.

El suizo también disputó el mundial y Le Mans en 2015, 2016 y 2017. En 2016 estuvo a punto de ganar en La Sarthe pero, a tres minutos (poco más de una  vuelta) del final, el Toyota dejó tirado a Nakajima en la recta de meta y el sueño se escapó de entre los dedos. En 2017, cuando iban segundos con muchas opciones de vencer, Buemi tuvo que entrar en boxes con problemas mecánicos que dejaron el prototipo en el garaje durante mucho tiempo, perdiendo un total de 29 vueltas. Acabaron octavos.

Compartirá coche con Alonso en la temporada 2018/2019.