El joven piloto alemán inició su carrera en el karting antes de pasar a competir en la Fórmula BMW en 2003, donde se convirtió en el rookie del año, y donde la temporada siguiente consiguió el título tras ganar 18 de las 20 carreras disputadas.

En el 2005 se incorporó a la F3 Europea, donde volvió a ser el mejor entre los 'rookies' y en 2006 luchó por el título finalizando segundo. Pero además de continuar con su programa en la F3, Vettel debutó como piloto de los viernes para BMW Sauber en el Gran Premio de Turquía.

Tras causar una muy buena impresión en su debut en la F1 - Vettel lideró los tiempos del viernes en Estambul al volante del tercer BMW Sauber F1.06 - el joven piloto alemán se quedó en el equipo como piloto de pruebas hasta final de temporada.

En la última carrera de la temporada 2006, el GP de Brasil, BMW Sauber anunciaba que Vettel seguiría en la escudería en 2007 como probador oficial y piloto reserva.

A la espera de que le llegase su oportunidad en la Fórmula Uno, Vettel competía también en las World Series by Renault. Pero esa oportunidad le llegaba a Vettel tras el grave accidente del piloto de BMW Sauber, Robert Kubica en el GP de Canadá 2007, que le impedía tomar parte una semana después en la siguiente carrera en Estados Unidos.

Vettel hacía su debut en un Gran Premio de Fórmula Uno como piloto titular, y tras finalizar en séptima posición la sesión de calificación, el alemán concluía la carrera en octavo puesto, lo que le convertía en el piloto más joven de la historia, con tan solo 19 años, en sumar un punto en el Campeonato del Mundo de F1.

Entretanto, en el equipo Toro Rosso Ferrari cada vez estaban más disgustados con el rendimiento de uno de sus pilotos, el norteamericano Scott Speed, que finalmente era apartado, lo que le brindaba la oportunidad a Vettel de subirse al coche en el GP de Hungría y finalizar la temporada como piloto de Toro Rosso.

En su quinta carrera con la escudería italiana, en el GP de Japón, el alemán llegó a rodar en tercera posición, pero finalmente un incidente con Mark Webber cuando el coche de seguridad estaba en pista le impidió firmar el que habría sido un gran resultado. Sin embargo, una semana más tarde, en el GP de China, Vettel se sacaba la espina de Fuji finalizando la carrera de Shanghai en cuarta posición.

Considerado como uno de los jóvenes valores con más futuro en la Fórmula Uno, Vettel continuará en 2008 en Toro Rosso Ferrari compartiendo equipo con el francés Sebastian Bourdais.