Avant d’accéder à la F1, les pilotes passent par les formules de promotion. Certains suivent un chemin logique, allant de la Formule Renault au GP2 par exemple, tandis que d’autres choisissent un chemin différent. Simon Pagenaud est un de ces pilotes français qui a réussi aux Etats-Unis.
Simon Pagenaud commence sa carrière en monoplace en 2001. Cette année-là, il participe au championnat de Formule Campus, ancêtre de la F4 France. Il finit vice-champion derrière Bruce Lorgeré-Roux.
La saison suivante, le pilote originaire de Montmorillon (né à Poitiers) entame sa première saison en Formule Renault. Il participera à différents championnats durant quatre saisons. Il finit troisième pour sa première saison au championnat de France FFSA de Formule Renault. Aussi, il finit à la même place du championnat européen de Formule Renault 2.0 la saison suivante avant de prendre la place de vice-champion en 2004.
Après une saison compliquée en Formule Renault 3.5, où il finit à la 16e place, Simon Pagenaud rejoint les Etats-Unis et participe au championnat de Champ Car Atlantic. Il remporte le titre dès sa première saison. Ensuite, il participe la saison suivante au championnat de Champ Car, le dernier avant la fusion avec l'IndyCar. Il termine à la 8e place.
En 2008, il se lance en American Le Mans Series et participe à ses premières 24 Heures du Mans. Il occupe le même programme en 2009, avec également une participation en Le Mans Series. Même programme en 2010 où il remporte la manche belge en Le Mans Series et participe à une manche d'Intercontinental Le Mans Cup. Il remporte aussi le titre en ALMS.
2011 est une année chargée pour le pilote français. Il fait son retour en IndyCar où il participe à trois manches du championnat. Il participe aussi à deux manches du championnat ALMS et du championnat Le Mans Series. Simon Pagenaud participe également à cinq manches d'Intercontinental Le Mans Cup et finit 2e des 24 Heures du Mans avec Peugeot Sport.
Il fait son retour à temps complet en IndyCar la saison suivante. Il participe, jusqu'à son titre IndyCar en 2016, à différentes courses de ALMS, d'International V8 Supercar et d'United SportsCar.