Das Sensationsangebot kam jedoch, als sich BMW Sauber von Jacques Villeneuve trennte und der ehemalige Testfahrer Robert Kubica zum Stammfahrer aufstieg. Beim Grand Prix der Türkei feierte er sein Formel-1-Debüt als Freitagsfahrer bei BMW-Sauber, bei dem er auf Anhieb den ersten Platz im Freitagstraining erreichte. Als jüngster Fahrer in der Formel 1 hält Vettel jetzt somit diesen Rekord.

Für das BMW-Sauber Team war er im Jahr 2007 als fester Testfahrer für das F1-Team im Einsatz. Er kam nach dem schweren Unfall von Robert Kubica zu seinem Formel-1-Debüt. Mit Platz acht holte der 20-Jährige zwar als jüngster Fahrer überhaupt einen WM-Punkt, angesichts der Stärke des BMW-Sauber riss das Experten aber nicht gerade zu Begeisterungsstürmen hin. Lobeshymnen erhielt Vettel erst nach seinem Wechsel zu Toro Rosso, vor allem nach seinen starken Auftritten in den Regenrennen in Japan und China. In Fuji warf Vettel einen möglichen Podestplatz noch durch den unnötigen Unfall hinter dem Safety-Car weg, doch mit dem vierten Platz in Schanghai überholte er in der WM-Wertung sogar Ralf Schumacher. Ein großes Talent, das in seiner ersten kompletten Saison beweisen muss, dass sein Chef Gerhard Berger ihn zu Recht mit dem großen Ayrton Senna verglichen hat.

Vettels Teamkollege für die Saison 2008 wurde Sébastien Bourdais, der zuvor erfolgreich in der amerikanischen Champ-Car-Serie gefahren war. Mitte Juli 2008 gab das Toro-Rosso-Schwesterteam Red Bull bekannt, dass Vettel ab 2009 an der Seite von Mark Webber für den österreichischen Rennstall fahren wird.

Beim GP von Italien in Monza schaffte Vettel die Sensation: Erst fuhr er als jüngster Pilot auf die Pole, um dann beim Rennen als jüngster GP-Sieger aller Zeiten über die Ziellinie zu fahren.