Pada tahun 2006, Vettel menjadi pembalap penguji untuk BMW Sauber di Formula 1, dan ia mendapatkan kesempatan debut di balapan F1 pada tahun 2007 di Grand Prix Amerika Serikat, menggantikan Robert Kubica yang cedera. Vettel segera mencetak poin dengan finish di posisi kedelapan, menjadi pembalap termuda yang mendapatkan poin pada saat itu.
Kesuksesannya berlanjut ketika ia pindah ke Scuderia Toro Rosso pada akhir 2007. Di tim ini, Vettel mencatatkan kemenangan pertamanya di Grand Prix Italia 2008, menjadikannya pemenang balapan termuda dalam sejarah F1 saat itu. Kemenangan ini membawa perhatian besar dari tim-tim besar, dan pada tahun 2009, ia bergabung dengan Red Bull Racing.
Bersama Red Bull, Vettel mencapai puncak karirnya. Ia memenangkan empat gelar juara dunia berturut-turut dari tahun 2010 hingga 2013. Dominasi Vettel dan Red Bull selama periode ini ditandai dengan kemenangan balapan yang konsisten dan kecepatan yang luar biasa, baik di kualifikasi maupun balapan. Pada tahun 2013, Vettel mencatatkan rekor dengan memenangkan sembilan balapan terakhir secara berturut-turut dalam satu musim.
Setelah periode sukses bersama Red Bull, Vettel pindah ke Scuderia Ferrari pada tahun 2015, dengan harapan mengembalikan kejayaan tim legendaris tersebut. Meskipun menunjukkan performa kuat dan memenangkan beberapa balapan, termasuk tiga kemenangan di musim debutnya bersama Ferrari, gelar juara dunia kelima selalu berada di luar jangkauannya, terutama karena dominasi Mercedes dan Lewis Hamilton pada era tersebut.
Pada tahun 2021, Vettel bergabung dengan Aston Martin, tim yang sebelumnya dikenal sebagai Racing Point. Meskipun tim ini memiliki sumber daya yang lebih terbatas dibandingkan dengan Red Bull atau Ferrari, Vettel tetap menunjukkan kemampuan dan pengalamannya, memberikan kontribusi penting dalam pengembangan mobil dan strategi tim.
Selain prestasi balapnya, Vettel juga dikenal karena karakter pribadinya yang ramah dan kecerdasannya. Ia sering berbicara tentang isu-isu lingkungan dan keberlanjutan, serta aktif dalam kegiatan amal dan sosial. Vettel juga dihormati di dalam dan di luar lintasan balap karena etos kerjanya dan sportivitasnya.
Meskipun ada rumor akhir-akhir ini mengenai kembalinya ia ke Red Bull. Helmut Marko dari Red Bull mengungkapkan alasan mereka tidak membawa kembali Sebastian Vettel. Spekulasi mengenai kemungkinan kembalinya Vettel santer terdengar, tapi kehadiran Max Verstappen di tim ini membuat keputusan tersebut sulit terjadi.