Sébastien Buemi fuhr bereits im Alter von sechs Jahren seine erste Kartrennen und wurde 2002 Vizemeister der europäischen und italienischen Kartjunioren. 2004 wechselte er in in die deutsche Formel BMW, wo er auf Anhieb Meisterschaftsdritter werden konnte. Im Jahr darauf wurde er Meisterschaftszweiter hinter Nico Hülkenberg.
2005 fuhr Buemi ein Rennen in der spanischen Formel-3-Serie und stieg 2006 in die Euroserie ein, in der er auch 2007 antrat und in seinem zweiten Jahr am Ende Zweiter hinter Romain Grosjean wurde. Im Winter 2006/2007 nahm er für das Schweizer Team an zwölf Rennen der A1GP-Serie teil und gab 2007 auch sein Debüt in der GP2.
Im Winter 2008 trat mit Arden in der GP2-Asia-Serie an, in der er (erneut hinter Romain Grosjean) Gesamtzweiter wurde. In der europäischen GP2-Serie gewann Buemi 2008 zwei Rennen und wurde Sechster der Gesamtwertung. Außerdem wurde er von Red Bull Racing als Test- und Ersatzfahrer verpflichtet.
2009 schaffte Sébastien Buemi den Sprung in die Formel 1. Mit Toro Rosso wurde er zum ersten Schweizer seit Jean-Denis Delétraz 1995, der einen Grand Prix bestritt. Schon bei seinem ersten Rennen in Melbourne schlug er seinen Teamkollegen Sébastien Bourdais im Qualifying und beendete die Saison als bester Rookie auf Platz 16 der Fahrerwertung.
2010 blieb Buemi bei Toro Rosso und führte in Kanada zum ersten Mal ein Formel-1-Rennen an. Am Ende erzielte er in Montreal als Achter sein bestes Saisonergebnis. Wie schon im Vorjahr beendete er das Jahr als Sechzehnter. In China sorgte Buemi für Schlagzeilen, als im freien Training die Vorderradaufhängung seines Autos brach und er mit 300 km/h Richtung Kiesbett raste. Ein Rad flog über den Fangzaun und verpasste nur knapp einen Kameramann. Glücklicherweise wurden bei dem Zwischenfall weder Buemi noch Zuschauer verletzt.
2011 war Buemis drittes Jahr bei Toro Rosso. Mit sieben Platzierungen in den Punkterängen belegte er am Saisonende Platz 15 in der Meisterschaftswertung. Das interne Duell gegen Jaime Alguersuari verlor er mit 15 zu 26 Punkten. Für 2012 beschloss man bei Toro Rosso, beide Fahrer zu ersetzen (für Buemi und Alguersuari kamen Daniel Ricciardo und Jean-Éric Vergne), Sébastien Buemi ist dem Team aber bis heute treu geblieben.
Buemi fand in der Langstrecken-WM bei Toyota ein neues Zuhause – WM-Dritter 2013, dann zusammen mit dem Briten Anthony Davidson 2014 sensationell Sportwagen-Weltmeister!
Der Höhenflug des Westschweizers ging 2015 weiter: Nur um Haaresbreite verlor er den ersten Formel-E-Titel an Nelson Piquet junior. Ein Jahr darauf liess sich Buemi den Titel nicht nehmen.
Daneben bleibt der sympathische Schweizer ins Entwicklungsprogramm von Red Bull Racing eingebunden. Er sitzt regelmässig im Simulator von Milton Keynes, im Sommer 2016 fuhr er für RBR Tests mit den breiten Versuchsreifen von Pirelli im Hinblick auf die GP-Saison 2017. Das Team schätzt seine fundierten Aussagen.
2017 wurde Buemi in der Formel E Gesamtzweiter hinter Lucas di Grassi, und auch in der Langstrecken-WM errang Sébastien Gesamtrang 2 – dank Siegen in Silverstone, Spa-Francorchamps, Fuji, Shanghai und Bahrain.
In der Formel E lief es in der Saison 2017/2018 nicht ganz so gut für den Westschweizer: Schlussrang 4. Dafür konnte Séb an der Seite von Fernando Alonso und Kazuki Nakajima glänzen – Sieg im Juni 2018 bei 24-Stunden-Rennen von Le Mans.
2019 vervollständigte Buemi die tolle Saison an der Seite von Alonso und Nakajima: Sportwagen-Weltmeister! Überdies eroberte das Trio den zweiten Le-Mans-Triumph in Serie. In der Formel E wurde Buemi Gesamtzweiter hinter dem Franzosen Jean-Eric Vergne.
