Après quelques années en karting, Sergey Sirotkin passe à la monoplace en 2010 en participant aux dernières manches du championnat de Formule Abarth en Italie. Il termine deuxième de ce championnat l'année suivante mais remporte le titre dans le championnat européen avec cinq victoires.
En 2012, il s'engage dans deux championnats. L'Auto GP dans lequel il se classe troisième, le championnat de F3 italienne où il se classe cinquième. Il participe également à deux manches du championnat de Formule Renault 3.5. C'est ce championnat que Sergey va disputer à plein temps en 2013. Il termine neuvième avec deux podiums.
Courant 2013, on parle de lui comme possible titulaire chez Sauber pour la saison 2014. L'écurie Suisse, en proie à des difficultés financières, pourrait en effet être sponsorisée par l'entreprise d'Oleg Sirotkin, son père. Au final, Sergey obtient seulement le poste de troisième pilote pour 2014. Il reste donc en F.Renault 3.5 et se classe cinquième avec une victoire à Moscou.
Sergey à néanmoins l'opportunité de piloter une F1, la Sauber-Ferrari, C33 lors des essais libres du Grand Prix de Russie.
En 2015, il s'engage dans le championnat GP2, l'antichambre de la F1. Après un début de saison difficile, Sergey va monter cinq fois sur le podium (dont une victoire à Silverstone) pour se classer, au final, à la troisième place. Il rempile dans ce championnat en 2016. Au deux-tiers de la saison, il est en tête du championnat mais termine une nouvelle fois troisième avec deux victoires au compteur. Ayant été choisi comme pilote d'essai par Renault, il participe à deux séances d'essais libres lors des Grands Prix de Russie et du Brésil.
Pour 2017, faute de volant en F2 (l'ex GP2), Sergey ne pilote que durant les essais libres lors de quatre Grands Prix. Néanmoins, il participe aux 24H du Mans avec deux autres pilotes russes en LMP2 mais ne se classe que trente-troisième. Une semaine plus tard, Art GP l'appelle pour remplacer Alexander Albon à Baku en F2. Il termine à la dixième place le samedi et cinquième le dimanche. En fin d'année, il participe aux essais organisés par Pirelli à Abou Dabi avec l'écurie Williams. Suite à ces essais, Sergey décroche un volant chez Williams pour la saison 2018.
Malheureusement, la Williams FW41 ne va pas lui permettre de briller dans la catégorie reine. Il n'obtient qu'une onzième place comme meilleur résultat en qualification et il bénéficie de la disqualification de Romain Grosjean lors du Grand Prix d'Italie pour marquer son unique point en F1. Classer à la vingtième (et dernière) place au championnat, il est remplacé par Robert Kubica pour 2019.
Il participe à quelques courses d'endurance en 2019 avec SMP Racing et est de nouveau engagé comme troisième pilote chez Renault F1 team mais également chez McLaren. En 2020, il est de nouveau pilote de réserve pour Renault.
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