Vettel se inició en el karting en 1995, ganando varios campeonatos. En 2003 pasó a la disciplina de monoplazas, ganando el campeonato alemán de Fórmula BMW con dieciocho victorias en veinte carreras.
En 2005 pasó a competir para ASL Mucke Motorsport en Fórmula 3 Euroseries, siendo quinto en la clasificación final con sesenta y cuatro puntos, y considerándosele el "novato del año". No ganó ninguna carrera esa temporada, probablemente debido a la buena actuación de Lewis Hamilton en el campeonato, quien ganó quince carreras de veinte. A pesar de ello, probó el Williams FW27 de Fórmula 1 el 27 de septiembre como recompensa por su éxito en la Fórmula BMW; luego pasó a probar para el equipo BMW Sauber. También participó en una carrera del Campeonato de España de F3 en Albacete, con el equipo andaluz Racing Engineering.