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Kamui Kobayashi est un pur produit du programme de recherche de jeunes talents de Toyota, puisqu'il est sous l'aile du constructeur japonais depuis 2001. Kobayashi est arrivé en Europe en 2004. Il a passé deux années dans les championnats italiens et européens de Formule Renault qu'il a remportés en 2005.

Il s'est ensuite tourné vers la F3 Euroseries où ses performances - une victoire et la 4e place du championnat en 2007 - ont convaincu les dirigeants de l'équipe Toyota F1 de lui confier le poste de troisième pilote en 2008.

En plus de son rôle d'essayeur en F1, le pilote japonais a fait ses débuts dans les GP2 Series avec l'écurie DAMS. Vainqueur de la course 'courte' lors du premier rendez-vous de la saison sur le circuit de Catalunya, Kobayashi n'a pas eu la même réussite par la suite. Finalement 16e du championnat, il retentera sa chance dans l'anti-chambre de la F1 en 2009, sans plus de réussite.

Timo Glock s'étant blessé en fin de saison, Kobayashi est appelé à remplir son rôle de pilote de réserve chez Toyota F1. Il a pris son premier départ dans la catégorie reine sous un déluge au Brésil en 2009, lors de l'avant-dernière course du championnat. Le Japonais a été impressionnant et n'a jamais hésité à s'attaquer aux grands noms du sport. Toujours au volant de la Toyota pour l'ultime course de la saison, à Abou Dabi, le talent du jeune pilote éclatait au grand jour.

La suite de sa carrière en F1 dépendait du bon vouloir du constructeur nippon, qui a choisi de quitter la catégorie reine. Heureusement pour Kobayashi, Peter Sauber avait vite fait de remarquer son potentiel. Bien que le futur de son écurie soit incertain (suite au départ de BMW), le Suisse lui offrait un contrat de titulaire. Kobayashi a sauté sur l'opportunité.

La saison 2010 fut difficile pour l'équipe, mais Kobayashi a été la recrue étoile du plateau. Il a dominé ses coéquipiers plus expérimentés (Pedro de la Rosa, remplacé en cours de saison par Nick Heidfeld) et marquait à lui seul 32 des 44 points récoltés par Sauber.

C'est sans surprise que son contrat a été prolongé pour inclure la saison 2011. Le début de saison s'est bien passé, avec des points à chaque course ou presque. La deuxième moitié du championnat a été plus difficile vu un choix technique que Sauber à dû regretter, mais Kobayashi avait de nouveau fait ses preuves et son contrat a été prolongé pour inclure la saison 2012.

Sixième en Australie, le Japonais se met en évidence avec sa meilleure qualification en carrière en Chine (troisième), avant de peu à peu rentrer dans le rang. De retour en forme après la pause estivale et sur la première ligne du GP de Belgique, Kobayashi décroche finalement son premier podium à domicile, sur le circuit de Suzuka mais n'est cependant pas conservé dans l'équipe. De nombreuses voix se sont élevées pour soutenir le funambule dans sa quête d'un baquet pour 2013.