Vettelovi nezačala sezóna zrovna dobře. V Bahrajnu vyhrál kvalifikaci, ale kvůli technice se v závodě propadl na 4. místo. Problémy s technikou ho doprovázely i v dalším závodě, který nedokončil. Vyhrál až následující závod v Malajsii. Dál střídal dobré s horšími výsledky. V Turecku se při předjíždění srazil s týmovým kolegou Webberem, což vedlo k vyostření jejich vztahu. Závod ve Valencii s přehledem vyhrál. Při závodě ve Velké Británii dostal na úkor Webbera nové přední křídlo, své totiž rozbil. Závod ale dokončil až na 6. místě po chybném startu. V deštivé Velké ceně Belgie při předjíždění měl kolizi s monopostem Jensona Buttona a dojel 15. Po tomto závodu začal být odepisován a skoro nikdo už mu nevěřil. V Itálii ale už dojel čtvrtý po riskantní jízdě, kdy absolvoval skoro celý závod na jedné sadě pneumatik a vyměnil je až kolo před koncem. V Singapuru byl z celého pole jediný, kdo stíhal Alonsa a dojel druhý. Japonsko se neslo ve znamení deště a Vettelova jasného vítězství. Okruh v Koreji byl zbrusu nový, dokončený těsně před závodem. Vettel vedl skoro celý závod, ale 10 kol před koncem mu vypověděl službu motor. Nakonec se zjistilo, že se zlomila ojnice. Celý svět formule jedna šokovalo chování Vettela, který prohlásil těsně po závodu, že mu je to už jedno. V Brazílii si bez potíží dojel pro vítězství. Poslední závod v Abu Zabí byl klíčový pro získání mistrovského titulu. Vettel měl před startem nejmenší šanci na to získat titul. Vettel ale postavil na hlavu všechny prognózy. Jelikož zvítězil, Alonso se vinou chybné taktiky propadl na sedmé místo a Webber dojel až za Alonsem, německý pilot získal titul mistra světa. Stal se tak nejmladším šampionem v historii. Za celou sezónu dosáhl na 10 pole position, pět závodů vyhrál, dvakrát byl druhý a třikrát třetí. Po sezóně se stal Sportovcem Německa a Evropy.