Satsningen omfattar eldrivna bilar som delar, produktionssystem och teknikstöd och som en del i samarbetet köper Toyota aktier i Tesla till ett värde av 50 miljoner, US-dollar.
De både företagen kommer att bygga upp ett gemensamt team av specialister som ska arbeta med denna utveckling.
– Det finns en stor potential i Teslas teknik och jag är imponerad av företagets produktionsfilosofi, som ligger helt i linje med vår egen, säger Toyotas vd Akio Toyoda.
Enligt planerna ska Toyota under 2012 börja tillverka helt eldrivna bilar och Tesla Motors är för närvarande det enda amerikanska bilföretaget som serietillverkar coh säljer elbilar som akn användas i dagligt bruk.