Buemi on kilpaillut FIA:n kestävyyskilpailussa Toyota Gazoo Racingin (aiemmin Toyota Racing) kanssa vuodesta 2012 lähtien. Hänestä tuli vuoden 2014 kestävyyssarjan maailmanmestari LMP1-luokassa. Hän voitti sekä vuoden 2018 Le Mansin 24 tunnin kilpailun että WEC:n mestaruuden vuosina 2018-19. Hän voitti myös
ja vuoden 2020 Le Mansin 24 tuntia.