Buemi har deltaget i FIA World Endurance Championship med Toyota Gazoo Racing (tidligere Toyota Racing) siden 2012. Han blev verdensmester i udholdenhed i 2014 i LMP1-klassen. Han vandt både 2018 24 Timers Le Mans og efterfølgende 2018-19 WEC Championship. Han vandt også 2019
og 24 timers Le Mans i 2020.