Comme la plupart de ses aînés, Sébastien Buemi commence le karting à l'âge de huit ans, en 1996. Il y remporte plusieurs titres jusqu'en 2004, année où il participe pour la première fois au championnat ADAC BMW et termine à une brillante troisième place, sans toutefois remporter de victoire, Sebastian Vettel en ayant remporté dix-huit sur les vingt disputées.

En 2005, il s'améliore en remportant sept victoires, mais perd le titre face à Nico Hülkenberg. Ces résultats lui permettent d'intégrer la filière Red Bull, dirigée par le Dr Helmut Marko. Comme avant lui, Christian Klien ou Scott Speed, le jeune Suisse est destiné à intégrer tôt ou tard la Formule 1 sous l'égide de la marque de boissons énergisantes.

Ce soutien lui permet d'acquérir de l'expérience, avec une année d'apprentissage en F3 Euroseries au sein de l'écurie Mücke Motorsport en 2006, et il se classe à la douzième place du championnat, avec une victoire à Oschersleben. Il pilote également pour l'A1 Team Suisse pendant l'intersaison, sans toutefois remporter de victoire.

La saison 2007 sera celle de son duel avec Romain Grosjean. Le pilote suisse ne remporte que trois victoires, contre six pour le Français, qui devient champion. Cette même année, il fait ses débuts en GP2 à Monaco et impressionne ses employeurs en se qualifiant quatrième, puis en terminant la course à la septième place. Il remplace Michaël Ammermüller pour le reste de la saison chez ART Grand Prix. Mais il est moins impressionnant qu'à Monaco, puisqu'il ne marque que quatre points de plus, tout en participant en parallèle à son programme F3. Ce sont d'ailleurs ses bons résultats en F3 qui lui permettent d'effectuer ses premiers essais en F1 et d'être titularisé en tant qu'essayeur chez Red Bull à la fin de l'année 2007.

Sébastien commence sa saison 2008 en obtenant le titre de vice-champion de GP2 Asia, derrière Romain Grosjean (encore une fois !), puis enchaîne avec le championnat principal de GP2, qui se déroule en amont des courses de F1 européennes. Il parvient à remporter deux courses sprint à Magny-Cours et à Budapest, et termine sixième du championnat.

Ses résultats et l'estime que lui porte la direction de Red Bull lui permettent de passer des tests d'évaluation avec une RB4 et une STR3 pendant l'intersaison 2008-2009, qui débouchent finalement sur un poste de titulaire chez Toro Rosso Ferrari, aux côtés de Sébastien Bourdais.

En F1 avec Toro Rosso

Le Grand Prix d'Australie 2009 marque donc le retour d'un pilote de la Confédération helvétique (où les compétitions automobiles sont interdites depuis 1955), depuis Jean-Denis Délétraz sur une Pacific lors du Grand Prix d'Europe 1995. A Melbourne, il réalise des débuts fracassants. Parti treizième sur la grille, il marque les deux points de la septième place. Après un abandon en Malaisie, le jeune Suisse réalise une course exceptionnelle en Chine. Dixième sur la grille, il se montre très rapide sous la pluie et décroche une belle huitième place, après s'être battu avec des voitures bien supérieures à sa modeste Toro Rosso. La suite de la saison n'est malheureusement pas aussi brillante. La STR4 manque de développement, ce qui fait glisser ses pilotes en fond de grille. De plus, des problèmes de fiabilité l'empêchent souvent d'aller jusqu'au bout de la course. Toutefois, Sébastien commet peu d'erreurs et domine Bourdais, bientôt remplacé par le jeune Espagnol Jaime Alguersuari. En fin de championnat, la Toro Rosso bénéficie de nouvelles évolutions qui la rendent plus véloce, ce qui lui permet de se distinguer. Il termine septième au Brésil et huitième à Abou Dhabi, assurant ainsi son statut de révélation de l'année avec une seizième place au championnat.

En 2010, Toyota approche sérieusement Sébastien pour en faire l'un de ses pilotes. Cependant, l'équipe japonaise décide finalement de se retirer de la Formule 1. Il signe donc pour une année supplémentaire chez Toro Rosso. Cette seconde saison est beaucoup plus difficile pour le Suisse. En effet, la Toro Rosso STR5 est une voiture moyenne, incapable de marquer des points régulièrement. De plus, en début de saison, Sébastien est victime d'une série de mésaventures comme lors des essais du Grand Prix de Chine où il perd ses deux roues avant lors d'un freinage . Il est ensuite victime d'un nombre conséquent de pannes mécaniques et se fait percuter à deux reprises au départ, sans qu'il n'y soit pour rien ! Au Grand Prix d'Allemagne, c'est même son propre coéquipier, Alguersuari, qui l'élimine dès le premier tour. Le jeune Espagnol est justement à l'origine de bien des soucis. Si en 2009 et au début de l'année 2010, il le domine assez nettement, Alguersuari prend de l'assurance au fil de la saison et parvient à faire jeu égal avec son équipier, voire à le devancer. Franz Tost, le patron de Toro Rosso, fronce les sourcils et commence à mettre la pression sur le Suisse. Toutefois, sa saison n'est pas si négative. Il parvient à marquer quelques points ici et là, et même à mener un tour au Grand Prix du Canada grâce à une stratégie décalée. Au final, il marque plus de points qu'Alguersuari et termine de nouveau seizième au championnat.

Les deux pilotes sont reconduits par l'écurie Toro Rosso pour la saison 2011. Mais pour eux comme pour leur coéquipier, l'objectif principal est la saison 2012, date à laquelle le baquet de Mark Webber devrait se libérer chez Red Bull. Fin 2010, Sébastien se retrouve ainsi dans une situation délicate. Révélation de l'année précédente, il joue son avenir en Formule 1 en 2011. Malheureusement, en début de saison, la nouvelle Toro Rosso ne se montre pas très performante. Après une huitième place en Australie, il ne marque que de très petits points. Alguersuari ne fait pas beaucoup mieux en début d'année, avant de prendre un léger ascendant durant l'été. En Hongrie, Sébastien réalise une très belle course : parti de la dernière ligne à cause d'une pénalité, il profite des conditions humides pour obtenir la huitième place. Malheureusement, la fin de l'année est catastrophique. Tout d'abord, Webber prolonge son contrat chez Red Bull, ce qui lui retire son principal débouché. De plus, il est victime d'une série de pannes techniques qui le contraignent à rentrer souvent aux stands à pied. Pourtant, il ne démérite pas : à Suzuka, il se hisse dans les points, mais un écrou mal fixé l'envoie dans le bac à sable. Et alors qu'il parvient à arracher une bonne neuvième place en Corée, Alguersuari fait mieux en finissant septième. Fin 2011, Sébastien a moins bien performé que Alguersuari cette saison, mais aucun des deux jeunes hommes n'a convaincu Christian Horner et Helmut Marko, les dirigeants de l'équipe Red Bull. Franz Tost estime quant à lui que son équipe a besoin de sang neuf. Les deux pilotes sont donc tous deux limogeés par Toro Rosso, remplacés par Jean-Éric Vergne et Daniel Ricciardo, deux autres produits de la filière Red Bull.

L'après-F1

Dans son malheur, le Suisse a toutefois de la chance. Red Bull ne l'abandonne pas et le nomme pilote de réserve. Cependant, en raison de l'interdiction des essais privés, son rôle en Formule 1 se limite désormais à utiliser un simulateur.

En 2012, à seulement 24 ans, Sébastien doit donc tenter une nouvelle aventure. Il décide alors de rejoindre Toyota en endurance. Le constructeur japonais l'avait déjà approché pour qu'il pilote en F1 à la fin de l'année 2009. Aujourd'hui, il vise à battre les Audi au Mans avec son prototype TS030 à moteur hybride. Buemi commence justement sa carrière en endurance par l'épreuve mancelle. Un baptême de choix. Il est associé à deux pilotes expérimentés : Stéphane Sarrazin et Anthony Davidson. Benjamin de l'équipe, son rôle se limite à acquérir de l'expérience. Malheureusement, celle-ci est trop brève, car la course s'achève en début de soirée par un effroyable accident dont Davidson sort sans trop de dommages.

En 2013, Red Bull le conserve comme pilote de réserve, mais il ne fait aucun tour de piste. En fin d'année, lorsque Webber quitte enfin l'écurie, personne ne songe à lui pour le remplacer. C'est son ancien remplaçant chez Toro Rosso, Daniel Ricciardo, qui est choisi.

Il effectue cette année-là sa première saison complète dans le championnat du monde d'endurance avec Toyota. Toujours associé à Sarrazin et Davidson, il remporte sa première victoire dans la discipline en fin d'année, lors des 6 Heures de Bahreïn. Lors des 24 Heures du Mans, son équipage se classe deuxième, derrière l'Audi victorieuse, ce qui constitue le premier exploit de la Toyota hybride.

Pour 2014, l'objectif de Sébastien et de Toyota est donc de remporter les 24 Heures du Mans. Avec une voiture bien plus compétitive que la saison précédente, le pilote suisse monte sept fois sur le podium en huit courses. Il remporte les courses de Silverstone, Spa, Fuji et Shanghai au volant de sa TS040 Hybrid et devient champion du monde d'endurance avec Anthony Davidson.

Il dispute également le tout nouveau championnat de Formule E avec l'équipe e.Dams Renault. Équipier de Nicolas Prost, il décroche le championnat des équipes, mais échoue à un point du titre de champion pilote, derrière Nelson Piquet Jr.

Malgré les baisses de régime des Toyota en 2015 et 2016, le pilote peut se réjouir d'un titre de champion de Formule E à l'issue de sa deuxième saison. Il termine deuxième la saison suivante, offrant ainsi à Renault e.Dams un troisième trophée consécutif.

En WEC, il termine deuxième du championnat en 2017, après une lutte équitable avec Porsche, et remporte cinq victoires, mais il ne parvient toujours pas à remporter les 24 Heures du Mans. Ce sera chose faite lors de la « Super Saison » suivante. Cette double année, comptabilisée pour permettre la bascule du calendrier, voit l'épreuve mancelle compter deux fois ! Associé à Kazuki Nakajima et au « rookie » Fernando Alonso, le trio de la Toyota n° 8 remporte les deux éditions et le titre.

Sébastien continue d'être l'un des éléments clés de la domination de Toyota dans le championnat WEC. Après une troisième victoire dans la Sarthe en 2020, il termine deuxième en 2021, laissant également les titres de champions à la voiture sœur. En Formule E, l'équipe Nissan e.Dams ne peut lui offrir le titre (il se contente de la deuxième place en 2019) et le Suisse descend brutalement dans les classements (quatrième en 2020, il est vingt-et-unième en 2021).

En 2022, il remporte pour la quatrième fois les 24 Heures du Mans, au volant de l'Hypercar Toyota GR010 Hybrid, aux côtés de Brendon Hartley et Ryo Hirakawa. Cette victoire, associée à une grande régularité tout au long de l'année, lui permet de décrocher le titre de champion du monde d'endurance WEC.

Parallèlement, il dispute sa dernière saison de Formule E sous les couleurs de l'écurie Nissan e.dams.

Toujours avec Toyota en 2023, il maintient son niveau de performance au sommet de la catégorie Hypercar. Malgré une deuxième place aux 24 Heures du Mans, il s'impose aux 6 Heures de Portimão ainsi qu'aux 8 Heures de Bahreïn, décrochant ainsi un quatrième titre de champion du monde des pilotes en WEC.

En Formule E, il rejoint l'écurie Envision Racing. Il décroche plusieurs pole positions et contribue directement à la conquête du titre mondial des équipes par la structure britannique.

En 2024, il poursuit son engagement avec Envision en Formule E et avec Toyota en WEC. Il monte sur le podium du championnat électrique et remporte la dernière épreuve de la saison à Londres. En endurance, il s'impose dans la catégorie Hypercar aux 6 Heures de São Paulo et aux 8 Heures de Bahreïn, au terme d'une compétition serrée. Ces performances contribuent directement à l'obtention du titre mondial des constructeurs pour l'écurie japonaise.

En 2025, il marque le pas dans le championnat du monde d'endurance, ne montant que deux fois sur le podium, avec une deuxième place comme meilleur résultat lors des 8 Heures de Bahreïn.

En Formule E, il remporte une victoire lors de la deuxième course disputée à Monaco et se classe onzième du championnat.