Brendon Hartley est le fils d'un ancien pilote de Formule Atlantic. Il commence par le karting, puis devient rapidement compétitif dans les grandes catégories de monoplaces de son pays. En 2004, il termine deuxième du championnat de Formule Ford de Nouvelle-Zélande. En 2006, il poursuit sa carrière en Europe, s'engageant dans l'Eurocup Formula Renault 2.0. Après une année d'apprentissage, il décroche le titre en 2007.

En 2008, il participe au championnat de Formule 3 britannique et se classe troisième, avec cinq victoires. Cette année-là, il se classe cinquième des Masters à Zolder, troisième au Grand Prix de Macao et intègre la Red Bull Junior Team. En 2009, il participe au championnat de Formule 3 Euro Series et au championnat de Formule Renault 3.5, mais ne parvient pas à se démarquer. Il reste en Formule Renault 3.5 les deux années suivantes, montant sur le podium à quelques reprises. On le voit également en GP2 Series lors de quelques courses.

En 2012, après avoir effectué des essais pour Mercedes, il devient pilote essayeur pour l'écurie allemande. Au même moment, il s'engage en endurance en catégorie LMP2 et remporte une course au Castellet en 2013. Il progresse dans la catégorie et intègre l'équipe Porsche en 2014, avec laquelle il monte à plusieurs reprises sur le podium. Lors de sa deuxième saison avec la firme de Stuttgart, il monte sur la deuxième marche du podium au Mans et remporte le championnat des pilotes avec l'Allemand Timo Bernhard et l'Australien Mark Webber, jeune retraité de la Formule 1. L'année suivante, il remporte quatre victoires, mais ne termine que quatrième du championnat. En 2017, il est de nouveau champion du monde d'endurance, remportant quatre victoires, dont les 24 Heures du Mans.

En F1 avec Toro Rosso

Double champion du monde, le Néo-Zélandais a les armes nécessaires pour entamer une carrière en Formule 1 chez Toro Rosso. Il participe à son premier Grand Prix en remplacement de Pierre Gasly, parti au Japon pour la dernière manche de Super Formula, lors du Grand Prix des Etats-Unis. Il se classe 19e sur la grille de départ et termine 13e. Il prend ensuite la place de Daniil Kvyat pour les trois dernières courses de la saison. Après deux abandons au Mexique et au Brésil, il se classe 15e à Abou Dabi. Malgré ces contre-performances, il est confirmé comme titulaire pour la saison suivante.

Brendon aborde sa première année complète en Formule 1 avec Toro Rosso, aux côtés de Pierre Gasly, alors que l'équipe adopte le moteur Honda pour la STR13. Lors du Grand Prix d'Australie, il se classe quinzième. Lors de la manche suivante, au Bahreïn, il se qualifie en onzième position, mais perd des places en course, ne terminant que 17e. A Bakou, au terme d'une course animée, il inscrit son premier point de la saison en se classant dixième. Malgré quelques progrès techniques chez Toro Rosso, la saison est marquée par des problèmes mécaniques récurrents et Hartley subit souvent des pénalités moteur. Il termine douzième à Barcelone, puis abandonne à Monaco à la suite d'un contact avec Charles Leclerc. Au Canada, il ne voit pas l'arrivée à la suite d'un accident avec Lance Stroll au premier tour. La période estivale commence par une quatorzième place au Castellet, suivie d'un abandon en Autriche et en Grande-Bretagne. Néanmoins, sur le circuit d'Hockenheim, il se classe dixième et récolte ainsi un deuxième point. Il se classe ensuite onzième en Hongrie, puis quatorzième en Belgique. En Italie, il ne parcourt que quelques mètres à la suite de la rupture de sa suspension lors d'un accrochage. Il se classe ensuite 17e à Singapour, abandonne en Russie et se classe 13e au Japon. Il réalise sa meilleure prestation à Austin, lors du Grand Prix des Etats-Unis. Bien qu'il s'élance de la dernière position, il termine neuvième grâce à la disqualification de deux pilotes devant lui, ajoutant ainsi deux points importants à son total. Les trois dernières manches sont conclues hors des points. Brendon achève la saison avec quatre points, à la dix-neuvième place du classement général. Malgré un engagement constant, il a été dominé par Gasly. Alors que le Français est promu chez Red Bull, il apprend à Abu Dhabi que Toro Rosso ne le prolongera pas pour la saison suivante.

Retour en Endurance

Brendon ne retrouve pas de volant en F1 pour 2019. Il est toutefois recruté par la Scuderia Ferrari en tant que pilote de développement, effectuant principalement du travail sur simulateur. Parallèlement, Hartley relance sa carrière en endurance. Il rejoint Toyota Gazoo Racing après un bref passage chez SMP Racing en 2019.

Avec Toyota, il devient rapidement un acteur majeur du championnat, remportant sa première victoire avec l'écurie lors des 6 Heures de Fuji, puis enchaînant les podiums et les succès. Il termine deuxième aux 4 Heures de Silverstone, de Shanghai, de Bahreïn, d'Austin et de Spa, puis s'impose lors des 24 Heures du Mans 2020 aux côtés de Sébastien Buemi et de Kazuki Nakajima.

Il termine également deuxième du championnat du monde d'endurance 2019-2020. Il dispute également la saison 2019-2020 de Formule E avec Geox Dragon, mais ne parvient pas à marquer de point notable dans la discipline.

En 2021, il forme un équipage solide avec Sébastien Buemi et Kazuki Nakajima. L'équipage termine deuxième des 24 Heures du Mans, derrière l'autre Toyota, et deuxième du championnat. L'année suivante, il remporte pour la troisième fois les 24 Heures du Mans, ainsi que le titre mondial, grâce à une saison ponctuée de succès et de constance.

En 2023, il continue avec Buemi et Hirakawa ; ils terminent deuxièmes aux 24 Heures du Mans. Toujours aux avant-postes tout au long de l'année, accumulant podiums et victoires, il remporte son quatrième titre de champion du monde d'endurance. En 2024, il poursuit sa carrière avec Toyota et remporte deux victoires.