Sebastien Buemi jest kolejnym zawodnikiem, który trafił do Formuły 1 poprzez program rozwoju młodych talentów RedBulla. Został zauważony podczas wyścigów niemieckiej serii Formuły BMW, gdzie zajął trzecie i drugie miejsce w klasyfikacji w latach 2004 i 2005. W kolejnym sezonie wystartował w europejskiej serii Formuły 3, a do tego zaliczył kilka startów w pucharze narodów serii A1-GP, reprezentując swój kraj, czyli Szwajcarię.

W sezonie 2007 wywalczył już wicemistrzowski tytuł w europejskiej Formule 3, a także po raz pierwszy zasiadł za kierownicą bolidu F1, testując dla zespołu Red Bull Racing. Zadebiutował także w serii GP2, zastępując jednego z kontuzjowanych kierowców.

Kolejny sezon i kolejne starty w GP2. Równocześnie miał już podpisany kontrakt z Red Bullem jako kierowca testowy i rezerwowy. Przed sezonem 2009 zespół Toro Rosso zaprosił trzech kierowców do testów, które miały wyłonić skład. Oprócz Buemiego w testach wzięli udział Sebastien Bourdais i Takuma Sato. Najlepsze wyniki Szwajcara spowodowały, że to on został jako pierwszy przyjęty do zespołu ToroRosso.
W pierwszej połowie sezonu debiutujący w F1 zawodnik swobodnie rywalizował z doświadczonym Sebastienem Bourdais i wielokrotnie udowodnił, że jest zdecydowanie szybszym zawodnikiem, zwłaszcza w kwalifikacjach. Na dziewięć występów Buemi aż siedmiokrotnie zajmował lepsze pozycje startowe niż Bourdais. To prawdopodobnie przyczyniło się do przedwczesnego zwolnienia Francuza z obowiązków kierowcy etatowego.