Vettel bắt đầu mùa giải 2011 với những chiến thắng ở Úc và Malaysia, trước khi về đích ở vị trí thứ hai tại Giải Grand Prix Trung Quốc do quản lý lốp kém, có thể liên quan đến việc anh ấy không thể giao tiếp chính xác với đội của mình, vì radio của anh ấy bị hỏng. [72] Tại Monaco, Vettel đã dẫn đầu cuộc đua nhưng do một sự cố vô tuyến khác, đội đua Red Bull đã không chuẩn bị trước khi anh ta đến. Điểm dừng xe diễn ra chậm và anh ta bị sai lốp, giao cho Button dẫn đầu. Vettel chuyển sang chiến thuật một cửa và mắc kẹt với một bộ lốp mềm trong 56 vòng. Anh ta bị Alonso và Button bắt khi lốp xe của anh ta bị hỏng, nhưng cả hai đều không thể vượt qua anh ta. [73] Cuộc đua được gắn cờ đỏ chỉ còn vài vòng đua, cho phép các đội thay lốp; khi cuộc đua được bắt đầu lại dưới gầm xe an toàn, Vettel đã có thể giữ vị trí dẫn đầu và giành chiến thắng. [74] Tại European Grand Prix, Fédération Internationale de l'Automobile (FIA) đã thi hành lệnh cấm đối với ánh xạ động cơ. Một số báo chí tin rằng đây là một nỗ lực của FIA nhằm ngăn chặn sự thống trị ban đầu của Vettel. [75] Tuy nhiên, anh đã giành pole với vòng đua nhanh nhất trong lịch sử của Valencia Street Circuit. Vettel thống trị với cú hat-trick đầu tiên của anh ấy trong năm 2011, và giành chiến thắng trong cuộc đua thứ sáu trong số tám. FIA đã thực hiện một thay đổi quy tắc khác tại British Grand Prix, nhắm vào các bộ khuếch tán thổi. Red Bull tin rằng những thay đổi sẽ tiêu tốn của họ khoảng nửa giây mỗi vòng. [77] Trong cuộc đua, Vettel đã bỏ qua Webber ở vị trí thứ hai, người đã phớt lờ tin nhắn radio từ hiệu trưởng đội Christian Horner để giữ vị trí. [78] Đây chỉ là lần thứ hai trong lịch sử môn thể thao này có một tay đua về nhì hoặc cao hơn trong mỗi chín cuộc đua đầu tiên của một mùa giải và giành chiến thắng ít nhất sáu trong số đó. [79] Vettel chạy mười bốn lần liên tiếp xuất phát ở hàng trước và mười một lần về đích liên tiếp ở hai hàng đầu đã kết thúc tại cuộc đua trên sân nhà của anh ấy, nơi anh ấy vượt qua vòng loại thứ ba và về thứ tư. Tại Ý, anh ấy đã giành được vị trí pole thứ mười của mình trong năm, trong đó anh ấy cùng với Ayrton Senna là tay đua duy nhất đã giành được mười vị trí pole trong hai mùa giải riêng biệt. [80] Một kết thúc trên bục vinh quang ở Nhật Bản đã đảm bảo danh hiệu thứ hai liên tiếp của anh ấy với bốn cuộc đua còn lại, khiến anh ấy trở thành nhà vô địch kép và chung cuộc trẻ nhất từng có. [81] Vettel đã giành chiến thắng trong cuộc đua sau tại Hàn Quốc để trở thành tay đua thứ hai có ít nhất mười trận thắng trong một mùa giải sau Michael Schumacher. [82] Anh ấy cũng giúp giành được chức vô địch thế giới thứ hai liên tiếp của Red Bull. [83] Vettel đã giành chiến thắng thứ mười một trong mùa giải tại Grand Prix Ấn Độ đầu tiên, dẫn đầu mọi vòng đua từ vị trí pole, cũng như thiết lập vòng đua nhanh nhất để giành được Grand Slam đầu tiên của mình. [84] Vettel đã phá kỷ lục giành được nhiều vị trí pole nhất trong một mùa giải tại đêm chung kết mùa giải ở Brazil, sau khi anh giành được cột vị trí thứ 15 trong năm. [85] Anh ấy đã hoàn thành một năm với 15 lần vô địch, 11 lần chiến thắng và 17 lần lên bục từ 19 cuộc đua; Vettel cũng giành được tổng số điểm kỷ lục là 392. [86] Vettel lái xe cho Red Bull Racing tại Malaysia Grand Prix 2012. Vettel bắt đầu mùa giải 2012 với vị trí thứ hai tại Australian Grand Prix, trước khi anh về đích ngoài vòng cấm Malaysia sau một pha va chạm với hậu vệ Narain Karthikeyan. Vettel và Horner chỉ trích việc lái xe của Karthikeyan, Vettel gọi anh là "thằng ngốc", [87] và "dưa chuột". [88] Karthikeyan đánh trả, gọi Vettel là "đứa trẻ khóc". [89] Vettel vượt qua ranh giới ở vị trí đầu tiên tại Bahrain Grand Prix để dẫn đầu bảng xếp hạng chức vô địch. [90] Ba cuộc đua mà không có một vị trí nào diễn ra sau đó, trước khi anh ấy nghỉ hưu tại Grand Prix châu Âu sau một thất bại của người thay thế, khiến anh ấy rơi xuống thứ tư trong bảng xếp hạng. [91] Ở Đức, Vettel đứng thứ hai sau Alonso nhưng nhận một quả phạt đền lần thứ 20 sau cuộc đua, vì anh ta đã rời khỏi đường đua khi vượt qua Button; Vettel tụt xuống thứ năm. [92] Anh xuất phát ở vị trí thứ 10 nhưng về nhì tại Bỉ để leo lên vị trí thứ hai trong giải vô địch. [93] Vettel sau đó đã nghỉ hưu tại Grand Prix Ý do hỏng máy phát điện, khiến khoảng cách với người dẫn đầu Alonso tăng lên 39 điểm với bảy cuộc đua còn lại. [94] [95] Anh ấy đã giành chiến thắng trong cuộc đua tiếp theo ở Singapore, khi anh ấy giữ vị trí dẫn đầu cho đến khi đạt đến giới hạn 2 giờ của cuộc đua. [96] Tại Grand Prix Nhật Bản, anh ấy đã có cú đánh lớn thứ hai trong sự nghiệp và cùng với việc Alonso nghỉ hưu, anh ấy đã rút ngắn khoảng cách xuống chỉ còn 4 điểm. [97] Sau khi giành chiến thắng tại Grand Prix Hàn Quốc, Grand Prix Ấn Độ mang lại một chiến thắng khác, khi Vettel đứng đầu cả ba buổi tập trước khi giành vị trí pole và dẫn đầu mọi vòng đua để giành chiến thắng. [98]

Trong vòng loại tại Grand Prix Abu Dhabi, Vettel được yêu cầu dừng xe do sự cố bơm nhiên liệu; anh ta buộc phải bắt đầu từ đường pit. [99] Từ vị trí cuối cùng, Vettel đã chiến đấu trở lại để về đích ở vị trí thứ ba. [100] Anh ấy bắt đầu cuộc đua cuối cùng ở Brazil với cú đệm 13 điểm vào lưới Alonso. [101] Ở vòng mở màn, Vettel bị quay sau một sự cố với Bruno Senna. Sau điều kiện thời tiết thay đổi, Vettel leo lên cán đích ở vị trí thứ sáu để giành chức vô địch với ba điểm và trở thành nhà vô địch thế giới ba điểm trẻ nhất từng có. [102] Anh cũng trở thành tay đua thứ ba giành được ba chức vô địch liên tiếp, sau Juan Manuel Fangio và Schumacher. [103]