Buemi sostituisce l'infortunatoMichael Ammermüller dell'ART Grand Prix per ilweekend di gare sulCircuito di Monaco nella stagione2007. Ottiene un buon risultato, qualificandosi quarto e terminando settimo. Con l'Arden International partecipa alla stagione2008 della Gp2 Asia, terminando secondo, con una vittoria e quattro secondi posti.
Con lo stessoteam partecipa alla stagione della serie principale del2008.[2] Ottiene la prima affermazione nellasprint race in Francia, partendo ventunesimo (dopo un guaio tecnico nella garalunga) utilizzando gomme da asciutto su pista umida e avvantaggiandosi del fatto di non dover cambiare pneumatici durante la gara. Nel corso della stagione vince ancora una volta e termina sesto in campionato.
Il 9 gennaio2009 Sebastien Buemi viene indicato come pilota ufficiale dellaToro Rosso,[1] e, al suo fianco, successivamente, viene confermato il pilota titolare 2008,Sébastien Bourdais.
InAustralia, debutto stagionale, si qualifica con un buon 13º posto. In gara mantiene un buon ritmo e alla fine, grazie anche a qualche ritiro, finisce 7º conquistando i suoi primi 2 punti inFormula 1.[3] InCina, invece, centra per la prima volta in stagione la Q3, partendo dalla 10º piazza e, dopo una gara sotto la pioggia battente, fermata solo da un tamponamento conSebastian Vettel, conquista un meritato 8º posto, che gli vale un punto.[4] In Malesia ed in Bahrain non ottiene buoni risultati finendo la gara in coda al gruppo. In Spagna e a Monaco si ritira, in entrambi i casi per incidente (a Monaco poteva andare a punti ma per un classico errore da principiante va a muro). Non riesce a conquistare punti neanche in Turchia, Gran Bretagna, Germania e Ungheria, finendo la gara nelle ultime posizioni.
Nella parte finale della stagione c'è però un miglioramento, iniziato dalGran Premio d'Europa nel quale finisce 15º in qualifica ma per un incidente causato daGlock non finisce la gara, ma il segnale di ripresa continua aSpa dove dal 16º posto arriva 12º. A Monza termina tredicesimo dopo una brutta qualifica mentre a Singapore si ritira per un guasto ai freni quando si trova vicino alla zona punti. A Suzuka ottiene una posizione di qualifica ottima posizionandosi decimo, non potendo però disputare la Q3 per un incidente.[5] InBrasile grazie a un miglioramento della vettura riesce a ottenere il 6º tempo in qualifica (suo miglior risultato) e settimo in gara, mentre adAbu Dhabi, ottiene il decimo tempo in qualifica e termina ottavo in gara.
Buemi è stato confermato dallaToro Rosso anche per la stagione 2010. Dopo un inizio di stagione sfortunata Buemi, algran premio di Monaco, arrivò 10º conquistando il suo primo punto iridato dell'anno. In seguito ci fu un'altra gara incolore, quella della Turchia, ma nel gran premio seguente, (Canada), dove si qualifica 15º, a seguito di una grande gara, nella quale si trova anche per un giro in prima posizione, arriva 8º, superando con un ottimo attaccoMichael Schumacher. Va bene anche a Valencia, dove riesce a combattere con piloti che hanno macchine più performanti della Toro Rosso, arrivando 8º, prima di venire retrocesso in nona posizione dai Commissari dellaFIA. Dopo Valencia, va a punti solamente aYeongam, dove arriva decimo. Conclude il mondiale 16º con 8 punti.
Nel 2011 viene riconfermato insieme adAlguersuari. Nella prima gara a Melbourne va subito a punti con un ottavo posto. Si ripete in Turchia (nono), Monaco e Canada (decimo), poi ripete il miglior risultato stagionale a Budapest (ottavo) e arriva decimo a Monza. Nella parte finale di campionato va a punti solo in Corea, dove è nono. Nel mondiale piloti è 15º (miglior posizione in carriera) con 15 punti.
Il 5 gennaio2012 viene nominato terzo pilota dellaRed Bull e, inoltre, può tornare alla guida dellaToro Rosso qualora quest'ultima abbia necessità di un pilota.[6][7] Dal2018 al2020 viene di nuovo nominato terzo pilota dellaRed Bull.
Nel 2012 partecipa alla24 Ore di Le Mans con laToyota TS030, gara valida per ilWEC, ma è costretto al ritiro all'ottantaduesimo giro[8][9]. Nel 2013 laToyota lo riconferma suo pilota e partecipa a tutte e otto le gare di campionato conStéphane Sarrazin eAnthony Davidson. ALe Mans sono secondi, e ottengono una sola vittoria nell'ultima gara inBahrein. A fine anno, sono terzi nel mondiale piloti.
Buemi insieme agli altri piloti Toyota durante la presentazione dellaTS040 Hybrid alPaul Ricard
Nel 2014 cambiano i regolamenti e la Toyota schiera la ben più performanteTS040 Hybrid, I suoi compagni di equipaggio sonoDavidson eNicolas Lapierre. L'anno inizia nel migliore dei modi per lo svizzero, che vince subito le prime due gare aSilverstone eSpa con i suoi compagni. ALe Mans, nonostante la Toyota sia la favorita, arrivano terzi a 6 giri dall'Audi R18 TDI guidata daLotterer,Tréluyer eFässler, vincitrice della corsa, poiché Lapierre viene coinvolto in un incidente dopo un'ora mezza di gara, mentre l'altra Toyota, la n. 7, si ritira durante la notte per un guasto elettrico, dopo che stava dominando la gara. AdAustin Buemi e compagni partono in pole, ma Lapierre commette un errore mentre piove e sono ancora terzi. AlFuji Buemi corre solo con Davidson e stravincono la gara davanti ai loro compagni sbaragliando la concorrenza di Porsche e Audi. Vincono anche nella successiva gara aShanghai, mentre inBahrein, dopo aver dominato la parte iniziale della corsa, perdono del tempo per un problema tecnico e arrivano solo ottavi, ma il piazzamento permette comunque di diventare campioni del mondo endurance con una gara d'anticipo[10]. Nell'ultima gara diInterlagos arrivano secondi dietro laPorsche n. 14 di Dumas-Jani-Lieb, con la Toyota che diventa campione del mondo costruttori.
Il2017 vede di nuovo laToyota competitiva: Buemi, Nakajima e Davidson vincono ben cinque gare sulle nove in calendario ma non basta per battere laPorsche che vince per 25 punti[13]. Per lastagione 2018-2019Davidson viene sostituito con il due volte campione del mondo diFormula 1,Fernando Alonso[14]. Il team domina, vince cinque gare tra cui due volte la24 Ore di Le Mans, sia l'edizione del2018 (prima vittoria per la Toyota)[15] che quella del2019[16]. Buemi si laurea così campione del mondo endurance per la seconda volta[17].
Nel2021 cambiano i regolamenti, la classeLMP1 viene rinominataHypercar. Il costruttore nipponico porta in pista la nuovaToyota GR010 Hybrid e conferma l'equipaggio dell'anno precedente[20]. Come nella stagione precedente Buemi si deve accontentare del secondo posto finale dietro all'altra Toyota.
Nellaseconda stagione viene confermato dallaRenault e.Dams insieme aNicolas Prost. La stagione inizia molto bene con due vittorie nelle prime 3 gare della stagione, conquista la terza vittoria stagionale all'E-Prix di Berlino davanti aDaniel Abt[33]. Grazie a tre vittore e altri tre podi il 3 luglio del 2016 diventa per la prima volta campione del mondo diFormula E battendo per soli due puntiLucas Di Grassi.[34].
Nellastagione 2017-2018 viene confermato dal teame.dams Renault insieme aNicolas Prost per la sua quarta stagione nella categoria[37]. Al contrario delle stagioni precedenti non riesce ad ottenere nessuna vittoria, pur ottenendo tre pole e quattro podi. Termina la stagione al quarto posto in classifica generale con settanta punti in meno del campioneJean-Éric Vergne.
Nellaquinta stagione della categoria viene nuovamente confermato insieme aOliver Rowland dal team, passato nelle mani dellaNissan dopo l'uscita di scena dellaRenault[38]. Inizia con un 6º posto aRiyadh. ASantiago parte in pole position ma va a sbattere e si ritira, mentre in Messico finisce l'energia all'ultimo giro e si ritira (viene classificato 21º). Anche aBerlino parte in pole ma non riesce a trovare la vittoria, chiude 2º dietro aLucas Di Grassi; nell'E-Prix di Berna riesce a raggiungere il gradino più basso del podio. Nelle due gare finali diNew York torna alla vittoria il sabato dopo esser partito dalla pole (tredicesima vittoria inFormula E), il giorno seguente finisce 3º[39]. Termina la stagione al 2º posto, diciassette punti dietro al campioneJean-Éric Vergne.
Nissan conferma per la sesta stagione sia Buemi eRowland[40]. Durante la stagione non riesce a ritrovare la vittoria, arriva una volta secondo (E-Prix di Berlino, gara 2) e tre volte terzo, chiude la stagione quarto con quasi la metà del punti del campioneAntónio Félix da Costa.
La stagione2020-2021 e la peggiore della carriera inFormula E di Buemi, sempre con il teamNissan e.dams[41]. Non raggiunge il podio in nessun E-Prix, viene squalificato sia nella prima gara delE-Prix di Puebla che nella prima delE-Prix di Londra. Come miglior risultato stagionale ottiene un quinto posto nella prima delle due gare dell'E-Prix di Roma, mentre nella seconda gara nella capitale italiana chiude decimo. Torna a punti nella prima gara dell'E-Prix di New York arrivando sesto. Chiude 21° in campionato con soli venti punti in classifica.
Buemi viene confermato dallaNissan e.dams per l'ottava stagione della Formula E insieme al suo nuovo compagnoMaximilian Günther[42]. La stagione è molto complicata, la vettura non si dimostra all'altezza delle aspettative del pilota svizzero, che ottiene solo sei piazzamenti a punti con un quinto posto nella prima gara delE-Prix di New York 2022 come miglior risultato. Buemi chiude quindicesimo in classifica.
Dopo 8 anni di permanenza nel teame.dams Buemi volta pagina e prosegue la sua avventura inFormula E con il colori del teamEnvision. Lo svizzero ha firmato un contratto pluriennale e sarà compagno di squadra diNick Cassidy[43]. ADirʿiyya torna a conquistare una pole position in categoria dopo 4 anni, finendo quarto in gara. Anche a Berlino riesce a conquistare la pole e anche in quel caso chiude quarto. Durante tutta la stagione riesce ad ottenere un solo podio nell'E-Prix di Londra dove chiude terzo dietroMitch Evans eJake Dennis. A fine stagione chiude sesto in classifica.
Buemi rinnova con l'Envision trovandoRobin Frijns come compagno di team. Nella prima gara stagionale inMessico chiude secondo dietroPascal Wehrlein. Il secondo podio stagionale arriva solo nella penultima corsa aLondra dove ottiene il terzo posto. Chiude la stagione al undicesimo posto[44].
Il team britannico conferma Buemi eFrijns per la stagione 11[45]. Dopo un inizio sotto tono lo svizzero vive una seconda giovinezza, tornando alla vittoria e conquistando 3 podi. Concluderà la stagione al 12º posto.