Musim 2011 Vettel melanjutkan penampilan apiknya dengan memenangi dua balapan pembuka musim di Australia dan Malaysia. Namun di Cina Vettel harus puas finish P2 usai bannya kehilangan grip di akhir lomba yang menyebabkan ia tersalip oleh Lewis Hamilton. Vettel kemudian berhasil menyapu tiga kemenangan beruntun di Turki, Spanyol dan Monako sebelum ia berhasil di kalahkan Jenson Button di Kanada. Vettel pun kembali ke jalur kemenangan di Eropa yang disusul oleh "krisis kemenangan" selama tiga seri berturut-turut dan kembali berhasil memenangi lomba di Belgia. Lewat kemenangannya di Belgia, Vettel berhasil melewati catatan poinnya di musim 2010 (256 poin) dengan 259 poin. Ia pun kembali menang di Italia yang juga menjadi kemenangan perdana mesin Renault sejak tahun 1995 dan di Singapura. Vettel pun resmi menjadi juara dunia ganda termuda dalam sejarah F1 setelah ia finish di P3 di Jepang. Dominasi Vettel kembali ia perlihatkan di India saat ia mencetak grand chelem perdananya di ajang F1. Vettel juga berhasil menyamai rekor pole position terbanyak dalam satu musim milik Nigel Mansell yaitu 14 kali yang berhasil ia peroleh di Abu Dhabi. Ironisnya saat balapan Vettel harus tersingkir di lap pertama setelah ia mengalami masalah teknis pada suspensi belakangnya. Sementara itu di balapan terakhir musim 2011 di Brasil, Vettel hanya finis kedua setelah menjalankan strategi "team order" halus dengan alasan masalah girboks untuk membantu rekan setimnya sendiri yaitu Mark Webber memenangi lomba.