Avant d'accéder à la F1, les pilotes passent par les formules de promotions. Certains suivent un chemin logique, allant de la Formule Renault au GP2 par exemple, tandis que d'autres choisissent un chemin différent. Champion de Formule E, Sébastien Buemi n'a pas eu un parcours facile. Il croisa le chemin de Sebastian Vettel, Nico Hülkenberg ou encore Romain Grosjean.
C'est en 2004 que le pilote suisse passe à la monoplace, en participant au championnat de Formule BMW ADAC avec l'équipe Lars Kaufmann Motorsport. Avec 10 podium et 2 pole positions, il termine 3e d'un championnat totalement écrasé par Sebastian Vettel.
Il poursuivit ses efforts en 2005, mais cette fois avec l'équipe ADAC Berlin-Branderburg eV. Vice-champion derrière Nico Hülkenberg, il a cumulé 282 points en 20 courses dont 7 victoires et 7 pole positions. Il conclu sa saison avec un podium (2e) lors de la finale de Formule BMW à Bahreïn. Enfin, pour se préparer à la saison suivante, il participe à une course du championnat de F3 espagnol malheureusement sans succès.
Il enchaine donc en 2006 avec la Formule 3 Euro Series où il croise à nouveau le chemin de Sebastian Vettel. C'est avec l'équipe Mücke Motorsport qu'il remportera une victoire sur le circuit d'Orschersleben. Sébastien Buemi finira 11e du championnat avec 31 points en 20 courses, championnat dominé par la paire Paul di Resta (Champion) et Sebastian Vettel (vice-champion)
Aussi, avec l'équipe ASL Team Mücke Motorsport, il participe aux Masters de F3 où, une fois encore, il monte sur le podium, à la 3e place. Il échouera aux pieds du podium lors du Grand Prix de Macao, roulant alors pour l'équipe Carlin Motorsport.
Mais sa saison 2006 ne se limita pas à la Formule 3. En effet, le pilote suisse s'engage également en Formule Renault 2.0. Il participe à 8 courses du championnat de Formule Renault 2.0 NEC avec l'équipe Motopark Academy. Le suisse remporte 2 courses et signa 1 pole position. Avec 172 points au compteur, il est classé 7e du championnat. En Formule Renault 2.0 EuroCup, il montera sur la plus haute marche du podium une seule fois mais en 6 courses seulement.
En 2007, il commence son rôle de pilote d'essais F1 pour l'équipe Red Bull Racing, et cumule les expériences en monoplace. Sébastien Buemi participe à 11 courses du championnat de GP2 avec l'équipe ART. Mais il participe également au championnat de F3 Euro Series. Avec l'équipe ASL-Team Mücke Motorsport, il termine 2e ayant remporté 3 courses et signé 2 pole positions. Il ne fera que 11e lors de sa participation au Grand Prix de Macao. De plus, avec l'équipe Suisse, le pilote participe à l'A1GP où il termine 8e d'un championnat remporté par Nico Hülkenberg.
Toujours pilote d'essais pour Red Bull en 2008, le pilote suisse continue le GP2. Le suisse complète aussi sa saison par le GP2 Asie. Il sera vice-champion du GP2 Asie, derrière Romain Grosjean, avec 1 victoire et 37 points marqués en 10 courses. Il aura moins de réussite en GP2, avec l'équipe Trust Team Arden. Malgré 2 victoires, il sera classé 6e avec 50 points. Le pilote sera titularisé par Toro Rosso la saison suivante.
