Formula BMW

Selepas berjaya dalam perlumbaan kart, Buemi menghabiskan tahun 2004 dan 2005 dengan bersaing dalam kejuaraan German Formula BMW, dengan mendapat tempat ketiga dan kedua dalam kejuaraan masing-masing. Beliau juga merupakan naib juara pada tahun 2005 dalam FBMW World Final.

Formula Three

Berikutan sebuah perlumbaan dalam kejuaraan Spanish Formula Three pada tahun 2005, Buemi bertanding dalam Formula Three Euroseries bagi tahun 2006, dan mendapat tempat ke-12 dalam kejuaraan, bagaimanapun mendapat tempat kesebelas melalui kiraan semula. Beliau terus bersaing dalam siri ini pada tahun 2007, dan mendapat tempat kedua dalam kejuaraan, di belakang Romain Grosjean. Beliau juga telah bertanding dalam Masters of Formula 3 dan Macau Grand Prix.

A1 Grand Prix

Untuk musim A1 Grand Prix 2006-07, Buemi berkongsi tugas sebagai pemandu pasukan bagi A1 Team Switzerland dengan Neel Jani dan Fässler Marcel. Pasukan tersebut mendapat tempat kelapan dalam kejuaraan tahun tersebut.

GP2 Series

Buemi menggantikan Michael Ammermüller yang cedera untuk pasukan ART Grand Prix untuk perlumbaan di Monaco dalam perlumbaan GP2 Series musim 2007. Buemi telah menunjukkan prestasi yang cemerlang dalam penampilan sulungnya, dengan mendapat tempat keempat pada pusingan kelayakan dan menamatkan perlumbaan di tempat ketujuh. Beliau menyertai pasukan Arden International bagi musim 2008, dan menjadi naib juara dengan satu kemenangan dan mendapat tempat kedua sebanyak empat kali. Beliau kekal bersama pasukan tersebut bagi musim 2008.[2] Beliau mendapat kemenangan pertamanya dalam perlumbaan sprint di Perancis, setelah bermula dari tempat ke-21 (selepas mengalami masalah teknikal dalam perlumbaan feature). Beliau memenangi satu lagi perlumbaan dan menamatkan musim di tempat keenam dalam kejuaraan tersebut.

Formula Satu

Pada 18 September 2007, beliau memandu kereta Red Bull RB3 pasukan Red Bull dalam sebuah sesi ujian F1 di Jerez. Beliau merupakan pemandu ketiga terpantas pada hari itu, di belakang Timo Glock (BMW) dan Vitantonio Liuzzi (Scuderia Toro Rosso) namun di hadapan Rubens Barrichello (Honda) dan Nelson Piquet, Jr. (Renault). Pada 16 Januari 2008, Red Bull Racing mengesahkan bahawa Buemi akan menjadi pemandu ujian dan pemandu simpanan mereka bagi musim 2008.[3]

Scuderia Toro Rosso (2009–2011)

2009

Scuderia Toro Rosso mengesahkan bahawa mereka telah menandatangani Buemi sebagai salah satu pemandu mereka pada 9 Januari 2009.[4] Beliau merupakan pemandu Formula Satu Switzerland yang pertama untuk mengambil bahagian dalam perlumbaan F1 sejak Jean-Denis Délétraz, yang memandu untuk pasukan Pacific di Grand Prix Eropah 1995.

Pada perlumbaan pertamanya di Australia, Buemi mendapat tempat kelapan, namun dinaikkan ke tempat ketujuh selepas Lewis Hamilton disingkirkan daripada perlumbaan. Di Grand Prix China, beliau sekali lagi mendapat mata dengan mendapat tempat kelapan setelah bermula dari tempat kesepuluh. Selepas gagal mendapat mata bagi 12 perlumbaan yang berikutnya, Buemi akhirnya mendapat mata dengan mendapat tempat ketujuh di Brazil. Di Grand Prix Abu Dhabi, Buemi sekali lagi mendapat tempat kelapan. Buemi menamatkan musim 2009 dengan enam mata dan mendapat tempat ke-16 dalam kejuaraan pemandu.

2010

Pada 9 November 2009, ia telah disahkan bahawa Buemi akan berlumba dengan Toro Rosso bagi musim 2010.

Semasa sesi latihan bebas pertama di Grand Prix China 2010, ampaian kereta Buemi patah ketika beliau menekan brek untuk selekoh ke-14. Kedua-dua roda depan keretanya tercabut ketika Buemi memandu lebih 300 km/j. Sebuah tayar terbang ke atas pagar keselamatan dan mendarat di kawasan penonton, dan nyaris-nyaris terkena seorang jurukamera. Kereta Buemi terus bergerak ke hadapan dan membelok ke kiri dan melanggar tembok armco. Kemalangan tersebut merosakkan sayap depan keretanya. Buemi, serta penonton yang hadir pada hari tersebut tidak mengalami sebarang kecederaan. Toro Rosso menyatakan yang sayap depan mereka yang baru menyebabkan kemalangan tersebut.[5] Buemi menamatkan musim 2010 dengan lapan mata dan sekali lagi mendapat tempat ke-16 dalam dalam kejuaraan pemandu.

2011

Buemi, bersama dengan rakan sepasukan dari tahun 2009 dan 2010 - Jaime Alguersuari, terus berlumba untuk Scuderia Toro Rosso bagi musim 2011. Pada 14 Disember 2011, ia telah diumumkan bahawa kedua-dua Buemi dan Alguersuari telah digugurkan oleh pasukan tersebut, dan akan digantikan oleh Daniel Ricciardo dan Jean-Éric Vergne bagi musim 2012.

Red Bull Racing (2012–)

2012

Pada bulan Januari 2012, ia diumumkan bahawa Buemi akan menyertai semula pasukan Red Bull Racing sebagai pemandu ujian dan pemandu simpanan bagi musim 2012, dan juga akan menjadi pemandu simpanan untuk pasukan Toro Rosso.[6]

24 Hours of Le Mans

Buemi juga bertanding dalam 24 Jam Le Mans dengan pasukan Toyota Motorsport GmbH, dengan memandu kereta Toyota TS030 Hybrid bersama Anthony Davidson dan Hiroaki Ishiura (yang kemudian menarik diri dan telah digantikan oleh Stéphane Sarrazin).[7] Selepas prestasi yang kukuh, kereta tersebut berada di tempat ketiga pada awal petang sehinggalah Davidson berlanggar dengan sebuah kereta GT Ferrari dan terbabas dengan teruk.