Nel Gran Premio del Giappone il dominio Red Bull è netto: doppietta sia in qualifica che in gara (disputatesi entrambe nella giornata di domenica, a causa della pioggia che aveva reso impraticabile la pista il sabato), con il tedesco davanti a Webber. Ma nel successivo Gran Premio di Corea, nonostante l'ennesimo strapotere della sua vettura è costretto al ritiro a pochi giri dalla fine, quando conduceva la corsa, per l'improvvisa rottura del motore. Nella penultima gara, in Brasile conquista la seconda posizione in griglia e la vittoria. Grazie a questo risultato, e al secondo posto di Mark Webber, la Red Bull si aggiudica il titolo costruttori del campionato 2010. Nell'ultimo gran premio della stagione, ad Abu Dhabi, nonostante i pronostici per la conquista del titolo piloti siano tutti a favore del leader del mondiale Fernando Alonso, si laurea campione del mondo senza mai essere stato in testa alla classifica: Vettel infatti vince la gara e, grazie al modesto settimo posto ottenuto da Alonso (frutto di una errata strategia di gara al muretto Ferrari) e all'ottavo di Webber (sulla stessa strategia dello spagnolo), riesce ad aggiudicarsi il titolo per soli 4 punti sul rivale. Con i suoi 23 anni diventa il più giovane campione del mondo della storia della Formula 1, soffiando il record all'inglese Lewis Hamilton per soli 6 mesi.