Vettel se inició en el karting en 1995, ganando varios campeonatos. En 2003 pasó a la disciplina de monoplazas, ganando el campeonato alemán de Fórmula BMW con dieciocho victorias en veinte carreras.

En 2005 pasó a competir para ASL Mucke Motorsport en Fórmula 3 Euroseries, siendo quinto en la clasificación final con sesenta y cuatro puntos, y considerándosele el «novato del año». No ganó ninguna carrera esa temporada, probablemente debido a la buena actuación de Lewis Hamilton en el
campeonato, quien ganó quince carreras de veinte. En 2005 realizó unas pruebas en Jerez para el Equipo Williams F1, conduciendo el Williams FW27. Vettel fue segundo en la Fórmula 3 Euroseries de 2006, por detrás de Paul di Resta. También hizo su debut en la World Series by Renault en el circuito de Misano, ganando la carrera tras la descalificación de Pastor Maldonado. Sin embargo, en la siguiente ronda, en Spa-Francorchamps, sufrió un corte grave en un dedo debido a un accidente con los restos de un coche, y se pensó que no competiría durante varias semanas. A pesar de ello, logró competir en el Masters de Fórmula 3 en Zandvoort el fin de semana siguiente, quedando tercero. También hizo la tercera vuelta más rápida, lo que impresionó al jefe de equipo de ASM, Frédéric Vasseur. Éste declaró encontrarse muy sorprendido, ya que al principio de la semana se pensó que no podría competir, pero se mostró en buena forma desde la primera sesión de entrenamientos.

Dio buena impresión y en 2006 pasó a ser piloto de pruebas de BMW Sauber en el GP de Turquía de 2006, cuando Robert Kubica, el anterior tercer piloto, reemplazó a Jacques Villeneuve en la escudería germana. El joven impresionó marcando el mejor tiempo en la segunda sesión de entrenamientos del GP de Turquía, así como al marcar el mejor tiempo en las dos sesiones del Gran Premio de Italia de 2006. Para 2007 fue confirmado como el tercer piloto de BMW Sauber, a la vez que competía en la World Series by Renault, donde ganó por primera vez en Nürburgring. Lideraba el campeonato cuando debió dejar la categoría para dedicarse a la Fórmula 1, ocupando su puesto Michael Ammermüller.

Tras el grave accidente de Robert Kubica en el GP de Canadá de 2007, Vettel lo sustituyó en el GP de los Estados Unidos, saliendo desde la séptima posición para acabar octavo. Este resultado le permitió ser el piloto más joven en puntuar en Fórmula 1, con diecinueve años y trescientos cuarenta y nueve días, batiendo el récord anteriormente ostentado por Jenson Button, quien con veinte años y sesenta y siete días había acabado sexto el GP de Brasil de 2000.

El 31 de julio de 2007, BMW Sauber permitió a Vettel unirse a la Scuderia Toro Rosso para poder competir a partir del Gran Premio de Hungría, reemplazando a Scott Speed, y ganando unos ciento sesenta y cinco mil dólares por acabar la temporada con la escudería italiana. Antes de la carrera de Hungaroring, se hizo público que Vettel continuaría en el equipo durante la temporada 2008, siendo su compañero de equipo Sébastien Bourdais.

La temporada 2008 no comenzó bien para el joven alemán, pero en un lluvioso GP de Italia consiguió la primera pole position de su carrera en la Fórmula 1, que luego rubricó con su primera victoria, convirtiéndose así en el piloto más joven de la historia en conseguir una pole, un podio y una victoria, récords anteriormente ostentados por Fernando Alonso.

En la temporada 2009, Vettel pasa a la escudería Red Bull, que fabrica un monoplaza bastante competitivo. Sebastian hace un mal comienzo, pero sin embargo, Vettel logró ser subcampeón en la última carrera, salió 2º, pero con el abandono de Hamilton, ganó la carrera, cerrando una gran temporada.

Sebastian Vettel consiguió su primer título mundial la temporada 2010, además es el piloto más joven en ganar un mundial con 23 años y 154 días superando a Lewis Hamilton. Repite campeonatos en 2011, 2012 y 2013, mostrando Red Bull un dominio aplastante en ese período de tiempo.

El comienzo de la temporada 2014 de Fórmula 1, estuvo marcado por el cambio de reglamento y el cambio de compañero de equipo tras cuatro años con Mark Webber, siendo este nuevo Daniel Ricciardo. En la pretemporada, tanto en Jerez de la Frontera como en Baréin, ambos coches tienen problemas mecánicos y consiguen rodar pocas vueltas.

El 20 de noviembre de 2014, se confirma su llegada a la Scuderia Ferrari en 2015, comenzando con una victoria en el GP de Australia, pero el dominio de Mercedes complica el campeonato en los años siguientes, pudiéndose hacer con el subcampeonato en 2017 y 2018. En 2019 Räikkönen se marchó a Alfa Romeo y el equipo italiano llamó al  monegasco Charles Leclerc. La temporada 2020 no fue buena para el equipo Ferrari siendo incapaz de proporcionar un monoplaza competitivo a sus pilotos. Tanto Vettel como Leclerc se vieron superados asiduamente por otros pilotos de la zona media. A nivel particular Vettel fue superado claramente por su compañero de equipo durante todo el año en el que apenas consiguió un pódium.

El 10 de septiembre de 2020, fue confirmado el fichaje de Vettel por Aston Martin sustituyendo al piloto mexicano Sergio Pérez en la temporada 2021. En agosto de 2022 anuncia su retiro a final de temporada, siendo reemplazado por Fernando Alonso.