A Red Bull utánpótlásprogramjának új csillaga 2001-ben kezdte gokartos pályafutását, a formaautózásra 2007-ben váltott, éppen akkor, amikor a Red Bullhoz csatlakozott. Elsőre a francia Forma-Renault Campus sorozatban próbálkozott, amelyet lazán meg is nyert az összesen 13 versenyen szerzett tíz dobogós helyével.

2010-ben a brit Forma-3-ba igazolt Vergne, ahol a többszörös bajnok Carlinnál vezetett. Az első 24 versenyen 12 győzelmet aratott, Spában háromból háromszor volt első. Hat versennyel a szezon vége előtt már bajnok volt. 2011-ben a Renault World Seriesre koncentrált, a bajnokság második helyét szerezte meg.

Vergne már a 2010-es abu-dzabi újoncteszten kipróbálhatta a Toro Rossót, 2011-ben pedig két szabadedzésen, Koreában és Abu-Dzabiban is lehetőséget kapott, a tréningeken alig maradt el Jaime Alguersuaritól. Novemberben megkapta a világbajnok Red Bull autóját az abu-dzabi újoncteszten, mindhárom napon a leggyorsabb volt vele.