Vào đầu mùa giải 2009, Vettel thay thế David Coulthard đã nghỉ hưu tại Red Bull Racing. Anh bắt đầu mạnh mẽ tại Australian Grand Prix, về nhì trong phần lớn cuộc đua. Tuy nhiên, một cuộc đụng độ với Robert Kubica để giành vị trí thứ hai trong giai đoạn sau đã buộc cả hai phải giải nghệ. [54] Anh tiếp tục giành vị trí pole và chiến thắng trong cuộc đua tại Grand Prix Trung Quốc; Cực đầu tiên của Red Bull Racing và giành chiến thắng. [55] Tiếp theo là các chiến thắng tiếp theo ở Anh, Nhật Bản và Abu Dhabi. [56] Anh ấy đã giành Grand Prix Nhật Bản từ vị trí pole, dẫn đầu mọi vòng đua. [57] Vettel đã giành chiến thắng khai mạc Grand Prix Abu Dhabi, cuộc đua đầu tiên diễn ra cả ngày lẫn đêm, để về thứ hai trong bảng xếp hạng Giải vô địch các tay đua thế giới sau Jenson Button. [58] Anh ấy cũng ghi được vòng đua nhanh thứ ba trong năm, so sánh anh ấy với đồng đội Mark Webber. Tuy nhiên, vì Vettel có nhiều vòng đua nhanh thứ hai hơn nên anh đã giành được Giải thưởng Vòng chạy nhanh nhất của DHL năm 2009. [59] Vettel giành vị trí pole đầu tiên của mùa giải 2010 tại Bahrain Grand Prix. [60] Anh dẫn đầu phần lớn cuộc đua nhưng do hỏng bugi, Vettel đã về đích ở vị trí thứ tư. [61] Tại Australian Grand Prix, Vettel được bổ nhiệm làm giám đốc của Hiệp hội các tay đua Grand Prix. [62] Anh ấy đã có chiến thắng đầu tiên trong mùa giải tại Malaysia. [63] Tại Monaco, Vettel đã trở thành Red Bull với tỷ số 1–2 với anh đứng thứ hai và Webber đầu tiên. Cả hai đều bằng nhau về điểm trong bảng xếp hạng, với Webber đầu tiên dựa trên tổng số trận thắng. [64] Tại Grand Prix Thổ Nhĩ Kỳ, Vettel đang xếp thứ hai sau Webber khi anh thực hiện một động tác vượt qua đồng đội của mình. Cả hai va chạm, khiến Vettel bị loại khỏi cuộc đua, mà cả hai tay đua đều không nhận trách nhiệm về vụ va chạm. [65] Tại British Grand Prix, cả hai chiếc xe của Vettel và Webber đều được trang bị thiết kế cánh gió trước mới. Cánh của Vettel bị hư hại trong buổi thực hành thứ ba, và tấm gương sống sót duy nhất của Webber đã được gỡ bỏ và trao cho đồng đội của anh ta. [66] Vettel đủ điều kiện ở vị trí đầu tiên, nhưng bị thủng lưới. Anh đứng thứ bảy trong khi Webber giành chiến thắng. Tại Nhật Bản, anh ấy đã vượt qua Webber về điểm trụ và tiếp tục giành chiến thắng với chiến thắng cờ chớp. Với 23 tuổi 98 ngày, Vettel trở thành tay đua Grand Prix trẻ tuổi nhất giành chiến thắng ở cùng một đường đua trong hai lần. [24] Tại giải Grand Prix Hàn Quốc khai mạc, Vettel dẫn đầu 45 vòng đầu tiên trước khi nghỉ hưu do hỏng động cơ, trao chiến thắng cho đối thủ vô địch Fernando Alonso. [67] Với kết quả 1–2 tại Grand Prix Brazil, Vettel và Webber đã giành được chức vô địch Thế giới đầu tiên của Red Bull Racing. [68] Vettel đã đi vào cuộc đua cuối cùng của mùa giải tại Abu Dhabi với khoảng cách 15 điểm so với Alonso và khoảng cách 7 điểm với Webber. [69] Anh ấy đã giành Grand Prix từ pole để trở thành Nhà vô địch các tay đua thế giới trẻ nhất trong lịch sử môn thể thao này, khi Alonso chỉ về đích ở vị trí thứ bảy. [70] Theo sau John Surtes trong mùa giải năm 1964 và James Hunt năm 1976, đây là lần thứ ba trong lịch sử Công thức một mà người chiến thắng danh hiệu này không đứng đầu bảng vô địch cho đến sau cuộc đua cuối cùng. [71]