Buemi begann seine Motorsport-Karriere mit Go-Kart-Erfolgen und wechselte dann im Jahr 2004 zur deutschen Formel-BMW-Meisterschaft, wo er seine Debüt-Saison auf dem dritten Platz beendete – gleich hinter einem weiteren zukünftigen Formel-1-Fahrer, Sebastian Vettel. Je mehr Punkte Buemi einheimste, desto mehr Chancen eröffneten sich ihm in den Formel-Ligen.
Obwohl er bereits im Alter von nur 15 Jahren eine Formel-Eins-Maschine aus nächster Nähe erlebt hatte, als er die Gelegenheit zum Fahren eines Arrows-F1-Wagens bekam, dauerte es noch bis zum Jahr 2009, bis Buemi seinen Einstand bei der Formel Eins feierte. Auf dem Weg dahin absolvierte er im Jahr 2006 eine Saison in der F3 Euro Series, wo er den 12. Platz in der Gesamtwertung belegte, woraufhin er 2007 in die GP2 wechselte. 2009 begann er in der Formel Eins, nachdem Toro Rosso auf ihn aufmerksam geworden war und ihn später in diesem Jahr verpflichtete, wodurch Buemi zum ersten Formel-Eins-Fahrer aus der Schweiz seit 1995 wurde.
Er fuhr weiterhin für Toro Rosso bis zum Ende der Saison 2011, nach der er eine Partnerschaft mit Jean-Eric Vergne begann. Auch wenn er seither nicht mehr in Wettkämpfen für das Team angetreten ist, erhält Buemi seine Verbindung mit Red Bull weiterhin als Reserve-Fahrer aufrecht.
Neben der Formel E fährt Buemi auch in der World Endurance Championship für Toyota, wo er 2014 die Weltmeisterschaft gewann, zusätzlich zu seinem ersten Platz beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans im Jahr 2018.
Nach drei Team-Meistertiteln für sein früheres Team Renault e.dams wechselte Buemi zum neuen e.dams Team unter dem neuen Namen Nissan e.dams für dessen Debüt-Saison in der Formel E als Team-Partner von Oliver Rowland. Zusammen führte das Fahrer-Duo das Team zum vierten Platz in der Teamwertung und verpasste knapp eine Podiumsposition, während Buemi in der Fahrerwertung Zweiter hinter Jean-Eric Vergne wurde.
In seiner sechsten Saison in der Formel E fuhr Buemi erneut als Team-Partner von Rowland. Nach einem Entwicklungsrückstand bei den ersten Rennen begann Buemi seine Punktejagd mit einem dritten Platz in Mexiko-Stadt. Neben den Leistungen von Rowland sicherten die drei Podiumsplätze des Schweizers beim Sechs-Rennen-Saisonfinale in Berlin dem Nissan e.dams Team den zweiten Platz in der Teamwertung.
Eine Platzierung unter den Top Fünf in Rom war alles, was Sebastien Buemi nach einer enttäuschenden 7. Saison mit seinem bisher niedrigsten Formel-E-Punktestand vorweisen konnte. Besser erging es ihm in der 8. Saison, mit einem stetig kleiner werdenden Fahrerfeld, wo der Schweizer den 15. Platz in der Gesamtwertung und 30 Punkte einheimste. Keine Medaille, aber immerhin eine Verbesserung für seinen Neubeginn mit Envision Racing in der 9. Saison.