メキシコのカート選手権で活躍したセルジオ・ペレスは15歳でドイツへと渡り、シングルシーターのキャリアをスタートさせます。2007年にはイギリスF3選手権のナショナルクラスでチャンピオンを獲得。2010年にはGP2（現FIA-F2）でランキング2位の成績を収め、翌2011年にザウバーから小林可夢偉のチームメイトとしてF1デビューを果たしました。
その才能を世界に示したのは2012年マレーシアGPでした。雨の難しいコンディションの中、フェラーリのフェルナンド・アロンソを猛追して2位表彰台を獲得。このシーズンは中堅チームのザウバーながら3度の表彰台を獲得し、独自のドライビングスタイルを確立させます。

2013年にはマクラーレンに移籍し不遇の時を過ごしましたが、2014年にフォース・インディア（後のレーシング・ポイント）へと移籍すると、中団チームながら毎年のように表彰台を獲得する安定感を発揮。特に2020年第16戦サクヒールGPでは、オープニングラップでの接触により最後尾まで落ちながらも、驚異的な追い上げを見せてF1初優勝を達成しました。デビューから190戦目、メキシコ人ドライバーとしては50年ぶりとなる快挙でした。

2021年にはトップチームであるレッドブルHondaへ移籍。第6戦アゼルバイジャンGPで移籍後初優勝を挙げると、最終戦アブダビGPでは、チームメイトでチャンピオンを争うフェルスタッペンのサポートに徹し、ライバルのルイス・ハミルトンを相手に鉄壁のディフェンスを見せ、フェルスタッペンの初戴冠を強力にアシスト。この印象的なシーンはシーズンの名場面として、多くのファンの記憶に残りました。

2022年には、ドライバーにとって憧れの舞台であるモナコGPを制覇し、自身の念願を果たしました。2023年には市街地コースのサウジアラビアGPとアゼルバイジャンGPで優勝し、ドライバーズランキングで自己最高となる2位を獲得。レッドブル史上初となるランキング1-2フィニッシュ達成に貢献しました。

2024年をもってレッドブルから離脱しF1のシートを喪失したものの、2026年からはその経験と実績を買われ、新規参戦するキャデラックのレギュラードライバーに抜擢されました。