Tahun berikutnya, dia berada di urutan keenam di Kejuaraan Kart ICA Senior hingga akhirnya pindah ke balap mobil.
Vettel finis kedua di kejuaraan Formula BMW Jerman 2003 dan menjadi rookie papan atas. Pada 2004 saat usianya 17 tahun, dia memenangkan gelar juara dan mengambil 18 kemenangan dari 20 start dan 387 poin dari maksimum 400.
Musim berikutnya, dia berada di urutan kelima Formula 3 Euroseries. Kejuaraan tersebut didominasi oleh Lewis Hamilton dan ASM hingga membuat Vettel tidak memenangkan satu balapan pun.
Vettel lalu dipromosikan menjadi test driver untuk BMW Sauber pada tahun 2006, dan berpartisipasi dalam Formula 3 Euro Series 2006 , finis sebagai runner-up.
Debutnya pada perlombaan lomba F1 dimulai pada tahun 2007 saat GP AS tahun 2007 bersama tim BMW Sauber sebagai pengganti Robert Kubica yang mengalami kecelakaan di GP Kanada.