C'est au Mans, ville connue pour sa célèbre course de 24 heures, que Sébastien Bourdais voit le jour. Son père, Patrick, est un pilote amateur de rallye et d'endurance. En 1989, pour son anniversaire, il reçoit un kart. Doué, il se lance en compétition dès l'année suivante.

Il devient champion de la ligue Maine-Bretagne en catégorie minime dès 1991, puis champion cadet en 1993.

La monoplace

En 1995, il passe en monoplace en intégrant la Formule Campus. Il se classe neuvième du championnat. En 1996, il participe au championnat de France de Formule Renault et se classe septième. L'année suivante, il devient vice-champion (derrière Jonathan Cochet). En 1998, il participe au championnat de F3 et termine meilleur débutant à la sixième place. En 1999, il devient champion de France de Formule 3 avec huit victoires. Il participe également à ses premières 24 Heures du Mans sur une Porsche 911 GT2 aux côtés de Jean-Pierre Jarier.

En 2000, il s'engage en F3000, dernière étape avant la F1. Il se classe neuvième du championnat. Il participe également à nouveau aux 24 Heures du Mans et se classe quatrième au volant d'une Courage C60 engagée par Henri Pescarolo. Toujours en F3000 l'année suivante chez DAMS, Sébastien progresse en remportant sa première victoire à Silverstone le 14 juillet ! Il se classe quatrième du championnat.

En 2002, il remporte le championnat international de F3000 avec trois victoires (Imola, Monaco et Nürburgring). Ce titre lui est en fait attribué après la fin du championnat, à la suite de la disqualification de Tomas Enge en Hongrie pour contrôle antidopage positif.

Remarqué par l'écurie de Formule 1 Arrows, il est invité à participer à un test à Valence en juillet 2002. L'écurie anglaise lui propose alors un contrat de titulaire pour 2003. Cependant, l'écurie anglaise est à court d'argent et se retire à la fin de la saison 2002. Renault, qui cherche un pilote essayeur pour 2003, redonne alors à Sébastien l'espoir d'accéder à la F1. Il est convoqué pour un test en fin d'année à Jerez, mais c'est Franck Montagny qui est retenu.

Champ Car

Sébastien se tourne alors vers les Etats-Unis et le Champ Car. Il est engagé par l'équipe Newman-Haas aux côtés de Bruno Junqueira. Lors de sa première apparition dans cette discipline, il décroche la pole position ! Il remporte ensuite trois victoires et termine le championnat à la quatrième place.

En 2004, il vise clairement le titre en Champ Car et le remporte haut la main avec sept victoires. Il conserve son titre les trois années suivantes, une performance inédite en Champ Car ! Il quitte le Champ Car en 2007 sur une victoire, la 31e en 74 courses. L'année 2007 marque également son retour aux 24 Heures du Mans. Il partage le volant d'une Peugeot 908 avec Stéphane Sarrazin et Pedro Lamy et termine deuxième.

Entre-temps, son nouveau manager, Nicolas Todt, lui a permis d'effectuer un essai chez Toro Rosso en décembre 2006. Un nouveau test est organisé en juillet 2007 sur le circuit de Spa-Francorchamps. En août, Sébastien est officiellement engagé par Toro Rosso pour la saison 2008, aux côtés de Sebastian Vettel.

En F1 avec Toro Rosso

Sa première course en Formule 1 sera à l'image de cette saison 2008 : un espoir déçu. Les qualifications de Melbourne se passent moyennement pour Sébastien, qui ne réalise que le 17e temps, tandis que Vettel part en 9e position. La course est néanmoins rocambolesque et les rôles s'inversent entre les deux pilotes. L'Allemand abandonne au premier virage, tandis que le Français remonte progressivement au fil des casses mécaniques et des accidents, jusqu'à la quatrième place. Il ne reste plus que deux tours à boucler quand son moteur V8 Ferrari brise ses espoirs de réaliser un exploit dès sa première course. Il marque tout de même deux points grâce aux nombreux abandons. La suite de la saison sera beaucoup moins héroïque pour lui, puisqu'il ne parvient pas en Q2 avant le Grand Prix de France, et qu'il accumule les abandons dus à des accrochages et des sorties de piste, tandis que Vettel enchaîne les bonnes courses. Cependant, le dernier tiers de la saison est bien meilleur pour Sébastien. A partir du Grand Prix de Valence, il se qualifie quasiment à chaque fois en Q3, avec comme meilleur résultat une quatrième place à Monza. Malheureusement, le système anti-calage de la Toro Rosso ne fonctionne pas correctement et Sébastien doit partir en dernière position, à un tour du reste du plateau. Il termine la course à la 18e place, tandis que Vettel signe une victoire incroyable. Une autre occasion est gâchée en Belgique, où, après être resté à la cinquième place pendant toute la course, il entame le dernier tour en troisième position. Seulement, il est équipé de pneus secs alors que la piste est détrempée. Les sept kilomètres du circuit de Spa sont très longs dans ces conditions, et il ne parvient pas à contrer les attaques d'Heidfeld, de Vettel et de Kubica.

Au vu de son faible score par rapport à Vettel, l'intersaison 2008-2009 est difficile à supporter. Le pilote français n'a plus toute la confiance de ses employeurs et il est loin d'être certain que son contrat soit reconduit. Il est toutefois retenu pour la saison 2009 aux côtés de Sébastien Buemi. Ce dernier entame sa deuxième saison de Formule 1 avec une voiture qui n'a pas effectué beaucoup d'essais. Malgré tout, les deux « Séb » marquent des points en Australie. La fiabilité est au rendez-vous, mais le pilote français ne domine son coéquipier qu'à deux reprises en qualifications, et il descend progressivement dans le classement au fil des Grands Prix. Cependant, malgré le fait qu'il soit rentré dans les points à deux reprises, comme son coéquipier, la rumeur de son remplacement prend de l'ampleur et atteint son apogée au Nürburgring. Cette course est un calvaire, puisqu'il abandonne, et il finit même par s'énerver en direct à la télévision, ce qui est compréhensible dans une réaction à chaud. La semaine suivante, Franz Tost estime que Sébastien ne parvient pas à tirer le meilleur parti de la voiture et préfère titulariser Jaime Alguersuari, un jeune pilote espagnol de 19 ans.

L'après-F1

Après avoir terminé deux fois deuxième des 24 Heures du Mans avec Peugeot en 2009 et 2011, Sébastien retourne aux Etats-Unis en 2012 pour participer au championnat IndyCar, tout en continuant à prendre part à des courses d'endurance. Il renoue avec la victoire en IndyCar en 2014 en remportant la course de Toronto. La même année, il remporte les 24 Heures de Daytona au volant d'une Chevrolet Corvette, ainsi que deux courses du championnat IMSA.

En IndyCar, il remporte deux victoires en 2015 (Détroit et Milwaukee), puis une en 2016 (Détroit), 2017 (St. Petersburg) et 2018 (St. Petersburg). Cependant, en mai 2017, il est victime d'un grave accident lors des qualifications des 500 miles d'Indianapolis. Il souffre de plusieurs fractures du bassin et de la hanche droite. Trois mois plus tard, il fait son retour et se classe dixième sur le circuit de Gateway. Après un podium en 2019, il fait sa dernière saison en IndyCar en 2021.

Parallèlement, il poursuit sa carrière en IMSA avec Cadillac, et en 2021, il remporte les 12 Heures de Sebring. En 2022, il réalise la pole position lors de cette même course, mais abandonne lors de la course. Il remporte ensuite trois victoires et se classe troisième du championnat. Il participe également au championnat du monde d'endurance sur une Oreca, mais ne parvient pas à obtenir de résultats probants. L'année suivante, il remporte une course en IMSA et se classe quatrième aux 24 Heures du Mans. En 2024, il monte à cinq reprises sur le podium, dont deux fois sur la plus haute marche, et termine troisième du championnat.