Después de graduarse del karting, como la mayoría de los pilotos de la parrilla, Sebastian Buemi corrió durante las temporadas 2004 y 2005 en la Fórmula BMW de Alemania, finalizando tercero y segundo en el campeonato respectivamente. Asimismo fue finalista de la FBMW World Final en el 2005.
Ese mismo año, dio el salto a la Fórmula 3 española y al año siguiente a la Fórmula 3 europea. Terminó duodécimo y se quedó en la serie hasta 2007, año en que mejoraría considerablemente los resultados de la temporada anterior. Quedó segundo, compaginando la F3 con el Masters y el A1 Grand Prix, donde corrió en el equipo A1 Team Switzerland. Junto con los pilotos Neel Jani y Marcel Fässler consiguieron un octavo puesto en el campeonato.
Buemi fue seleccionado para reemplazar al lesionado Michael Ammermüller por el equipo ART en el Circuito de Mónaco durante la temporada del 2007 de la Gp2 Series, en la que logró dos séptimos puestos y dos vueltas rápidas.
Seguiría en la Gp2 en 2008 (6º, 50 puntos) y también participó en las Gp2 Asia Series, donde cosechó buenos resultados (5º, 37 puntos), lo que le dio más números para dar el salto a la Fórmula 1.
El 18 de septiembre de 2007, corrió para el equipo Red Bull durante la temporada de pruebas de la F1 en Jerez. El 16 de enero de 2008, La escudería energética confirmó a Buemi como su piloto de pruebas y reserva para la temporada 2008 de la F1.
Tras la marcha de Vettel de Toro Rosso, queda libre uno de los volantes de la escudería. Deciden confiar en Buemi, que compartirá equipo con otro Sebastièn... Bourdais.
Buemi tendrá una difícil papeleta: Sustituir al mejor piloto que ha pasado por el equipo.
