Kamui Kobayashi teki debyyttinsä Toyota Racingille vuoden 2009 Brasilian Grand Prix -kilpailussa sen jälkeen, kun Timo Glock loukkaantui. Hänet valittiin kauden viimeiseen kilpailuun Abu Dhabissa, jossa hän sai pisteet. Tämä johti siihen, että Sauber-tiimi nappasi hänet seuraavien kolmen kauden ajan, jossa hän pääsi jatkuvasti pisteiden pisteisiin ja teki nimensä aggressiivisena keskikokoisena kilpailijana. Hänet palkittiin ponnisteluistaan palkkaluokalla vuoden 2012 Japanin Grand Prix -kilpailussa, samoin kuin kolme muuta palkkaluokkaa tiimikaverilleen Sergio Pérezille. Siitä huolimatta hän jäi ilman ajokorttia kaudella 2013. Vuonna 2014 hän allekirjoitti sopimuksen Caterham F1:n kanssa ja kamppaili väistämättä taloudellisesti heikomman joukkueen kanssa. Hänet korvattiin André Lottererilla Belgiassa, ja hän oli mukana USA:ssa ja
Joukkueen taloudellisten ongelmien takia. Kobayashin (ja Caterhamin) viimeinen kisa päättyi vetäytymiseen.