Sébastien Buemi začal svoji závodní kariéru po motokárách v německé formuli BMW, kde strávil dvě sezóny. V roce 2006 reprezentoval Švýcarsko v sérii A1GP, kde jeho národní tým skončil osmý.
V roce 2007 usedl Buemi do monopostu GP2 a závodil za tým ART Grand prix. Zároveň si poprvé vyzkoušel vůz formule 1, příležitost mu dal Red Bull. V roce 2008 působil u Red Bullu Racing jako třetí jezdec.
Na konci sezóny 2008 pomáhal Buemi s testy u Red Bull Racing, i když bylo zřejmé, že podepíše smlouvu na závodní sedačku s týmem Toro Rosso. Tak se také stalo a kariéra závodního pilota formule 1 začala pro Buemiho rokem 2009.
Švýcar svými výkony nezklamal a Toro Rosso si ho ponechalo i v roce 2010. Buemi znovu porazil svého mladšího kolegu Alguersuariho, ale ve výsledné tabulce šampionátu obsadil stejné 16. místo. S Toro Rosso pokračuje i v roce 2011.