C'est au Mans, ville connue pour sa célèbre course de 24 heures, que Sébastien Bourdais voit le jour. Son père, Patrick, est pilote amateur de rallye et d'endurance. En 1989, Sébastien reçoit pour son anniversaire un kart. Sébastien est doué et se lance en compétition dès l'année suivante.

Il devient champion de ligue Maine-Bretagne en catégorie minime dès 1991, puis champion en cadets en 1993.

La monoplace

En 1995, il passe alors en monoplace en intégrant la Formule Campus. Il termine à une modeste neuvième place au championnat. En 1996, il prend part au championnat de France de Formule Renault et se classe septième. L'année suivante, il est vice-champion (derrière Jonathan Cochet). En 1998, Sébastien est en F3 et termine meilleur débutant à la sixième place du championnat. En 1999, il est champion de France de F3 avec huit victoires. Il participe également à ses premières 24 Heures du Mans sur une Porsche 911 GT2 aux côtés de Jean-Pierre Jarier.

Pour l'année 2000, Sébastien s'engage en F3000, dernière étape avant la F1. Il se classe neuvième au championnat. Il est aussi de nouveau au départ des 24 Heures du Mans et se classe quatrième au volant d'une Courage C60 engagée par Henri Pescarolo. Toujours en F3000 l'année suivante, chez DAMS, Sébastien progresse bien en remportant sa première victoire à Silverstone le 14 juillet ! Il se classe quatrième au championnat.

En 2002, Sébastien remporte le championnat international de F3000 avec trois victoires (Imola, Monaco et Nürburgring). Ce titre est en fait acquis après la fin du championnat, suite à la disqualification de Tomas Enge en Hongrie pour contrôle antidopage positif.

Remarqué par l'écurie de F1 Arrows, il est invité à participer à un test à Valence en juillet 2002. Arrows lui propose alors un contrat de titulaire pour 2003. Mais l'écurie anglaise est à court d'argent et se retire à la fin de la saison 2002. L'espoir d'accéder à la F1 renaît grâce à Renault qui cherche un pilote essayeur pour 2003. Il est convoqué à un test en fin d'année à Jerez, mais c'est Franck Montagny qui est retenu.

Champion aux Etats-Unis

Sébastien se tourne alors vers les Etats-Unis et le Champ Car. Il est engagé par l'équipe Newman-Hass au coté de Bruno Junqueira. Pour sa première apparition dans cette discipline, il signe la pole position ! Par la suite, il remporte trois victoires et termine le championnat à la quatrième place.

En 2004, Sébastien vise clairement le titre en Champ Car. et le remporte haut la main avec sept victoires. Il va conserver son titre les trois années suivantes, du jamais vu en Champ Car ! Il quitte le Champ Car en 2007 sur une victoire, la 31e en 74 courses. L'année 2007 marque également son retour au 24 Heures du Mans. Il partage le volant d'une Peugeot 908 avec Stéphane Sarrazin et Pedro Lamy et termine à la deuxième place.

Entre-temps, son nouveau manager, Nicolas Todt, lui a permis d'effectuer un test chez Toro Rosso en décembre 2006. Un nouveau test est organisé en juillet 2007 sur le circuit de Spa-Francorchamps. En Août, Sébastien est officiellement engagé par Toro Rosso pour la saison 2008 aux côtés de Sebastian Vettel.

La Formule 1

Sa première course en F1 sera à l'image de cette saison 2008 : un espoir déçu. Les qualifications de Melbourne se passent moyennement pour Sébastien qui ne parvient à réaliser que le 17e temps alors que Vettel part 9e. Néanmoins la course est rocambolesque et les rôles s'inversent entre les deux pilotes. L'Allemand abandonne au premier virage alors que le Français remonte progressivement au fil des casses mécaniques et accidents jusqu'à la quatrième place. Il reste deux tours à boucler quand son V8 Ferrari brise ses espoirs de réaliser un exploit dès sa première course. Il marque quand même deux points grâce aux nombreux abandons. La suite de la saison sera beaucoup moins héroïque pour lui puisqu'il ne parvient pas en Q2 avant le Grand Prix de France et subit jusque-là beaucoup d'abandons sur accrochages et sorties de piste alors que Vettel enchaîne les bonnes courses.

Cependant, le dernier tiers de la saison est bien meilleur pour Sébastien. A partir du Grand Prix de Valence il se qualifie quasiment à chaque fois en Q3 avec comme meilleur résultat une quatrième place à Monza. Malheureusement le système anti-calage de la Toro Rosso ne fonctionne pas correctement et Sébastien doit partir en dernière position à un tour du reste du plateau. Il termine la course en 18e position alors que Vettel signe une victoire incroyable. Une autre occasion est gâchée en Belgique où après être resté à la cinquième place pendant toute la course, il entame le dernier tour en troisième position. Seulement, il est équipé de pneus secs alors que la piste est détrempée. Les sept kilomètres du circuit de Spa sont très longs dans ces conditions et il ne parvient pas à contrer les attaques d'Heidfeld, Vettel et Kubica.

Au vu du maigre score du Français par rapport à Vettel, l'intersaison 2008-2009 est difficile à supporter. Le pilote français n'a plus toute la confiance de ses employeurs et la reconduction de son contrat n'est absolument pas certaine. Il est toutefois retenu avec Sébastien Buemi comme coéquipier. Sébastien entame sa deuxième saison de F1 avec une voiture qui n'a pas effectué beaucoup d'essais. Malgré tout, les deux "Séb" rentrent dans les points en Australie. La fiabilité est au rendez-vous mais le pilote français ne va dominer son coéquipier qu'à seulement deux reprises en qualifications et progressivement descendre dans le classement au fil des Grand Prix.

Cependant et malgré le fait qu'il soit rentré dans les points à deux reprises comme son coéquipier, la rumeur de son remplacement va prendre de l'ampleur et atteindre son apogée au Nürburgring. Cette course est un calvaire puisqu'elle se termine par un abandon et Sébastien finit même par s'énerver en direct à la télévision, ce que l'on peut comprendre dans une réaction à chaud. La semaine suivante, Franz Tost estime que Sébastien manque de résultats par rapport au potentiel de la voiture et préfère titulariser Jaime Alguersuari, un jeune pilote espagnol de 19 ans.

IndyCar et Endurance

Après avoir terminé de nouveau deuxième en 2009 et 2011 des 24 Heures du Mans avec Peugeot, Sébastien est de retour aux Etats-Unis en 2012 dans le championnat IndyCar, tout en continuant à participer aux courses d'endurance. En IndyCar, il renoue avec la victoire en 2014 en remportant la course de Toronto. Cette même année, il remporte les 24 Heures de Daytona au volant d'une Chevrolet Corvette et deux courses du championnat IMSA.

En IndyCar, Sébastien remporte deux victoires en 2015 (Détroit et Milwaukee), puis une en 2016 (Détroit ), 2017 (St. Petersburg) et 2018 (St. Petersburg). Cependant en mai 2017, Sébastien est victime d'un grave accident lors des qualifications des 500 miles d'Indianapolis. Il souffre de plusieurs fractures du bassin et de la hanche droite. Trois mois plus tard, il est de retour et se classe dixième sur le circuit de Gateway. Après un podium en 2019, Sébastien fait sa dernière saison en Indycar en 2021.

Il poursuit sa carrière en IMSA avec Cadillac. En 2021, il remporte les 12 Heures de Sebring et, l'année suivante, il gagne trois courses et se classe troisième du championnat.