Három és fél évesen kapta első gokartját apjától. Hétévesen már versenyeken indult, nyolc évig tartó gokartos pályafutása többek között megnyerte a Monaco-kupát és a Kerpen-Mannheim Kupát, 2001-ben az Európa-bajnokság mellett a német bajnokságban is az élen végzett a juniorok korcsoportjában.

2003-ban csatlakozott a német Forma-BMW-sorozathoz, ahol első évében az összetettbeli második helyen végzett, miközben az újoncok versenyét nagy fölénnyel megnyerte. 2004-ben a húsz futamból tizenötön az első rajtkockából indult, tizennyolcat megnyert és tizenhatszor a leggyorsabb versenykör is az ő nevéhez fűződött, így toronymagasan megnyerte a német Forma-BMW az évi kiírását. A 2005-ös év átmeneti sikereket hozott számára a Forma-3 európai szériájában, ő lett az év legjobb újonca, a Williams-BMW színeiben Jerezben pedig átesett az F1-es tűzkeresztségen. A következő idényben második lett az F3-ban, mellette vendégszerepelt a World Series by Renault (WSR) sorozatban is, valamint három alkalommal tesztelt az akkor már BMW Sauber néven futó istállóval.

2006 második felében, élesben, a Török Nagydíjon ő volt a németek pénteki harmadik pilótája (akkor a pénteki szabadedzéseken a csapatok korlátozás nélkül alkalmazhatták tartalékversenyzőiket), és remek eredményekkel hívta fel magára a figyelmet, a második szabadedzésen például az egész mezőnyt elverte. A hátralévő négy versenyhétvégén is szerepet kapott péntekenként.

2007-nek a BMW Sauber hivatalos tesztpilótájaként vágott neki, mellette pedig a WSR-ben versenyzett. Robert Kubica kanadai balesete miatt az USA-ban Vettel indult helyette, nyolcadik helyével a húszévesnél néhány nappal fiatalabb pilóta lett minden idők legfiatalabb F1-es pontszerzője. A Red Bull kiscsapatánál, a Toro Rossónál a Magyar Nagydíj előtt kirúgták Scott Speedet, és Vettelt ültették a helyére, miután a BMW átengedte a tehetséget � Kínában a negyedik helyen végzett. 2008-ra maradt a Toro Rossónál, megnyerte az Olasz Nagydíjat. 2009-ben a Red Bullnál David Coulthardot váltotta, 2010-ben pedig ő lett a világbajnok.