Bourdais często brał udział w słynnym 24-godzinnym wyścigu Le Mans. Po raz pierwszy wystartował w 1999 roku, w wieku 20 lat. Jechał wówczas Porsche 911 GT2 prowadzonym przez Larbre Competition. Powrócił w 2000 roku, zajmując czwarte miejsce wraz z Emmanuelem Clerico i Olivierem Grouillardem z zespołu Pescarolo, za trzema dominującymi Audi.
Jego kolejne trzy występy nie były już tak udane. W 2001 roku jego bolid wycofał się po 271 okrążeniach. W następnym roku zajął dziewiąte miejsce w klasie LMP900. Opuścił wyścig w 2003 r. i powrócił w 2004 r., ale jego samochód wycofał się po 282 okrążeniach.
Kolejny wyścig Bourdais w Le Mans odbył się w 2007 roku. Pojechał wtedy fabrycznym Peugeotem 908. W samochodzie, w którym jechał razem z Stéphane Sarrazinem i Pedro Lamy, zajął drugie miejsce. W 2009 roku ponownie jeździł dla fabrycznego zespołu Peugeota. Wyścig ukończył na drugim miejscu, jedno okrążenie za zwycięskim Peugeotem. W 2010 roku Bourdais miał poprowadzić zdobywającego pole position Peugeota #3. Awaria zawieszenia zatrzymała samochód, zanim Bourdais zdołał przejechać okrążenie w wyścigu.