Buemi telah berkompetisi di FIA World Endurance Championship dengan Toyota Gazoo Racing (sebelumnya Toyota Racing) sejak 2012. Dia menjadi Juara Dunia Ketahanan 2014 di kelas LMP1. Dia memenangkan 24 Hours of Le Mans 2018 dan, selanjutnya, Kejuaraan WEC 2018-19. Dia juga memenangkan 2019
dan 2020 24 Jam Le Mans.