Fue piloto del equipo Toro Rosso de Fórmula 1 durante tres años (2009-2011), tras pasar por la GP2 Series en 2007 y 2008.
Finalmente se quedó en la serie durante 2007, donde finalmente quedó segundo en el campeonato por detrás de Romain Grosjean, categoría de la que conocemos a Nico Hülkenberg, Lewis Hamilton o Paul di Resta.
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.
[1] Red Bull llamó a Buemi como su piloto de pruebas y reserva para la temporada 2008.
[3][4] El piloto suizo compartió equipo con Sébastien Bourdais durante la primera mitad del año; y posteriormente, con Jaime Alguersuari.
Sin embargo, tras volver a puntuar en China (otra carrera caótica en la que rindió a un buen nivel), en las siguientes pruebas comete algunos errores o está involucrado en accidentes, no sumando más unidades.
Finalmente, en la sexta prueba del mundial, el Gran Premio de Mónaco, consigue superar por primera vez en la temporada a su compañero Jaime Alguersuari, sumando además un punto.
En los últimos giros es superado por Kamui Kobayashi, pero consigue llegar 9º y sumar dos puntos más.
En Malasia y China no puede sumar puntos pero supera a Jaime Alguersuari.
Hasta ese GP Buemi superó a su compañero; pero desde Canadá, donde sumó un punto más al acabar 10°, Sébastien entra en una mala racha.
Tras 3 carreras sin puntuar y 4 siendo superado por Alguersuari, el suizo logra acabar 8° en el GP de Hungría, haciendo una gran remontada gracias a la lluvia luego de haber salido 23° por una sanción.
Sin embargo, desde aquella carrera se ve nuevamente batido por Alguersuari, que termina sumando 9 puntos más que él, y su futuro no estaba claro,[8] aunque Buemi esperaba seguir con los de Faenza.
[9][10] Red Bull Racing contrató que Buemi como su piloto reserva y probador durante la temporada 2012.
Mientras se desempeñaba como piloto reserva de Red Bull en F1, Buemi compitió toda la temporada 2013 del Campeonato Mundial de Resistencia con Toyota, formando equipo con Anthony Davidson y Stéphane Sarrazin.