Esteban Gutiérrez commence sa carrière sportive au Mexique en 2004 par le karting. En 2007, il participe au championnat américain de Formule BMW et termine deuxième, ce qui lui permet de participer au championnat européen de la discipline. Il devient champion avec sept victoires, dont six consécutives, au début de la saison.

En 2009, on le retrouve en F3 Euroseries. Il termine neuvième au général et troisième rookie. En 2011, il participe au championnat inaugural de GP3 Series avec ART Grand Prix et domine le championnat avec comme plus mauvais résultat une quatrième place en course. Il remporte donc le titre, ce qui lui permet de devenir le troisième pilote de BMW Sauber en fin de saison.

En 2011, Esteban participe au GP2 Series, toujours avec ART Grand Prix. Il ne termine que treizième, mais il est le seul débutant à marquer des points et gagne même une course à Valence. Il aurait pu faire ses débuts en F1 et remplacer son compatriote Sergio Pérez pour le Grand Prix du Canada, mais c'est finalement Pedro de la Rosa qui a été sélectionné. En 2012, il termine troisième du GP2 Series avec trois victoires et sept podiums. Grâce à ses performances et au soutien du milliardaire Carlos Slim, il accède à la Formule 1 en 2013 avec Sauber.

Aux côtés de Nico Hülkenberg, le Mexicain se démarque peu et ne passe que quatre fois en Q2 sur les douze premières courses, tandis que l'Allemand y accède systématiquement. En fin de saison, Sauber semble en regain de forme, et Esteban hausse son niveau de jeu : il accède à la Q3 à Singapour et en Corée du Sud, et termine pour la première (et seule) fois dans les points à Suzuka, en terminant septième. Cette progression constante, ainsi que ses généreux sponsors, convainquent l'équipe suisse de prolonger son contrat.

Face à Adrian Sutil, il est désormais attendu au tournant. L'Allemand semble être un adversaire plus à la portée du jeune Mexicain que Hülkenberg, qui a porté Sauber à bout de bras l'année précédente. Mais cette saison va se révéler être un calvaire. Bien qu'il fasse jeu égal avec Sutil, la C33 est complètement ratée et ne devance que de peu les Marussia et les Caterham. Pire, ni lui ni son équipier n'arrivent à marquer de point, et la neuvième place de Jules Bianchi à Monaco avec la Marussia relègue l'écurie suisse à la dixième place du championnat constructeurs.

Après cette année très décevante, il n'est pas conservé par Sauber. Cependant, le retour du Grand Prix du Mexique semble venir au secours du natif de Monterrey. Il rejoint ainsi la prestigieuse Scuderia Ferrari en tant que pilote réserviste pour 2015. Ce rôle lui est néanmoins bénéfique car Ferrari va devenir le motoriste de la nouvelle écurie américaine Haas en 2016. Gene Haas engage d'abord Romain Grosjean, et grâce à ses sponsors, c'est Esteban qui est retenu plutôt que Jean-Eric Vergne, avec qui il était en concurrence.

En Australie, sa saison 2016 commence toutefois de la pire des manières. Il est impliqué dans un effroyable accrochage avec Fernando Alonso qui frôle la catastrophe. Il abandonne également en début de course à Bahreïn, tandis que Grosjean est entré dans les points à deux reprises. Lors des treize Grands Prix suivants, Esteban voit le drapeau à damier, mais hors des points, et cinq fois à la onzième place. Sa fin de saison se poursuit avec quelques abandons et des arrivées hors des points. Il n'est pas conservé par Haas et ne retrouve pas de volant en F1 pour la saison suivante.

En 2017, Esteban participe à quelques courses de Formula E. Début juin, il est engagé par le Dale Coyne Racing en IndyCar pour remplacer Sébastien Bourdais, blessé. Il participe à sept manches du championnat mais ne parvient pas à marquer de points.

En 2018, il est recruté comme pilote de développement par Mercedes en F1. L'année suivante, il est également nommé pilote de réserve pour l'équipe Mercedes de Formula E. Puis en 2021, il devient ambassadeur de la marque à l'étoile.