Sébastien Buemi débute la compétition en 1994 par le karting et décroche au fil des années plusieurs titres nationaux et internationaux. Présenté par la presse de son pays comme l'un des plus solides espoirs du sport automobile suisse, il évolue néanmoins dans l'ombre médiatique de sa cousine Natacha Gachnang.1 Il passe à la monoplace en 2004, dans le championnat d'Allemagne de Formule BMW. Troisième du championnat pour sa première saison dans la discipline, il grimpe au deuxième rang l'année suivante, qui correspond également à son incorporation à la filière Red Bull2.

Avec le soutien financier de Red Bull, Buemi accède en 2006 au relevé championnat de Formule 3 Euro Series au sein de l'écurie Mücke Motorsport. Sa première saison en F3 se solde par une lointaine 12e place au championnat. Au cours de l'hiver 2006-2007, il participe également à plusieurs manches du championnat A1 Grand Prix dans lequel il défend les couleurs de la Suisse. Redoublant en F3 Euro Series, il s'affirme en 2007 comme l'un des pilotes les plus brillants du plateau mais s'incline au championnat à l'issue d'un long duel face au pilote franco-suisse Romain Grosjean.

En plus de son programme en F3, Buemi est également placé par Red Bull dans l'écurie ART Grand Prix en GP2 Series où il remplace à Monaco puis pour la deuxième moitié de saison l'Allemand Michael Ammermuller, autre protégé de la marque de boisson autrichienne, mais blessé puis en disgrâce au sein de l'équipe française. Buemi brille à Monaco pour sa toute première apparition dans la discipline (qualifié 4e, arrivé 7e) mais se montre plus discret lors des épreuves suivantes.

Fin 2007, ses bons résultats en F3 lui valent d'effectuer ses premiers tours de roue en F1 au volant d'une monoplace du Red Bull Racing puis d'être dans la foulée nommé pilote essayeur de l'écurie. Parallèlement à ses tests en F1, Buemi participe à sa deuxième saison (la première complète) en GP2 Series. Au sein de l'écurie Arden, il participe d'abord au championnat hivernal GP2 Asia Series qu'il termine deuxième avec une victoire, à nouveau derrière Romain Grosjean, puis au championnat principal, dans lequel il doit se contenter de la sixième place finale mais avec deux victoires lors des manches sprint (avec grille inversée) de Magny-Cours et du Hungaroring.

Tenu en haute estime par la direction de Red Bull, il multiplie au cours de l'hiver 2008-2009 les séances d'essai au volant des monoplaces de la marque, les Red Bull-Renault ainsi que les Toro Rosso-Ferrari, écurie dans laquelle il remplace Sebastian Vettel à partir de la saison 2009. Il marque ses premiers points lors de son premier Grand Prix de F1 en Australie, le 29 mars 2009.