Mitte Juli 2008 gab das Toro-Rosso-Schwesterteam Red Bull Racing bekannt, dass Vettel ab der Saison 2009 an der Seite von Mark Webber für den österreichischen Rennstall fahren würde. Nachdem er in den beiden ersten Rennen der Saison 2009 jeweils kurz vor Rennende ausgeschieden war, in Australien auf dem zweiten Platz liegend, erreichte er in der Qualifikation in China die zweite Pole-Position seiner Karriere – die erste für Red Bull Racing überhaupt – und feierte einen Tag später seinen zweiten Sieg, ebenfalls der erste für Red Bull Racing. Beim nächsten Rennen in Spanien kam Vettel als Vierter ins Ziel, nachdem er am Tag davor im Qualifying hinter Polesetter Jenson Button Zweiter geworden war. Beim Großen Preis von Monaco schied Vettel nach einem Fahrfehler und einem anschließenden Unfall aus. Den Großen Preis der Türkei beendete er auf Platz drei, nachdem er in der ersten Runde in Führung liegend kurz neben die Strecke gerutscht und von Button überholt worden war. Am Tag zuvor hatte Vettel die dritte Pole seiner Karriere erobert. Beim Großen Preis von Großbritannien errang er seinen ersten Sieg unter trockenen Bedingungen und fuhr die erste schnellste Rennrunde seiner Formel-1-Karriere. Kurz vor dem Großen Preis von Europa im August gab Red Bull offiziell die Vertragsverlängerung mit Vettel bis 2011 bekannt. Beim Großen Preis von Belgien verkürzte er seinen Rückstand auf den Führenden Button mit einem dritten Platz erneut. Nachdem Vettel beim 13. Weltmeisterschaftslauf beim Großen Preis von Italien in Monza nur den achten Platz belegt hatte, schien er bei 26 Punkten Rückstand auf Button aus dem Rennen um den Weltmeisterschaftstitel bereits ausgeschieden zu sein. Mit einem vierten Platz in Singapur und einem Sieg in Japan verkürzte er den Rückstand jedoch auf 16 Punkte. Ein Rennen vor Schluss sicherte sich Button vorzeitig den Weltmeistertitel. Durch seinen Sieg beim Saisonfinale in Abu Dhabi wurde Vettel Vizeweltmeister vor Rubens Barrichello.