En 1996 inicia su carrera en los go karts a la edad de 6 años, consiguiendo el subcampeonato de la categoría infantil en el campeonato estatal. Al año siguiente sube a la Categoría Juvenil de go karts y finalizó cuarto en el campeonato; para llevarse el título al año siguiente.
En 1999, tras obtener un permiso especial de la Federación Mexicana de Automovilismo, Sergio Pérez corre por primera ocasión un campeonato de Shifters, obteniendo el tercer sitio de la general en la Categoría de 80 Centímetros Cúbicos.
Es en el año 2004 cuando va a Estados Unidos donde compite en las series Nacionales y en la Midwestern de la Barber Dodge, siendo el Novato del Año en esta última, y finalizando séptimo en el campeonato pese a ausentarse en seis pruebas. En la Nacional fue también novato del año y terminó en la posición undécima del campeonato.
Al año siguiente viene a Europa para correr en la Fórmula BMW Alemana, donde en su primer fin de semana y bajo la lluvia, obtuvo el segundo lugar en el circuito de Hockenheim, pese a rodar en el equipo más modesto de la categoría.
En el 2007 dejó Alemania y se fue a vivir a Oxford para correr en la F3 Británica con el equipo T-Sport, donde obtuvo récord de pole positions y empató la marca de triunfos en la Clase Nacional; se convirtió en campeón.
Tras correr en el 2009 en las GP2 Series, firma al año siguiente con Barwa Addax Team para seguir corriendo en la categoría antesala de la Fórmula Uno. Se convierte en el primer mexicano en obtener un triunfo en el Principado de Mónaco. Fue la primera de sus cinco victorias en la temporada, ya que se agregarían triunfos en Silverstone, Hockenheim, Spa Francorchamps y Adu Dhabi. Esto le valió finalizar la temporada como subcampeón de la categoría.
El 4 de octubre, Sergio Pérez es nombrado piloto oficial de Sauber Motorsport para la temporada 2011 de la Fórmula Uno, convirtiéndose en el quinto piloto mexicano en competir en la categoría más importante del automovilismo internacional.
Unos días después, es anunciado como parte de la Ferrari Driver Academy, la organización de la prestigiada escudería de Fórmula Uno, en la cual se forjan pilotos que el equipo vislumbra como potenciales figuras del automovilismo.
En el 2010 consigue el segundo puesto en las GP2 Series, con cinco victorias, siete podios, una pole position y seis vueltas rápidas. Realiza unas pruebas para BMW Sauber F1 Team que le dan un puesto como piloto oficial. Comienza en su debut en la F1 con un séptimo puesto pero su coche es descalificado por motivos técnicos. Tiene un accidente durante los entrenamientos oficiales en el G.P de Mónaco que no le permiten correr en Canadá, donde es reemplazado por Pedro de la Rosa- ex piloto de Sauber -. Vuelve y lo hace razonablemente bien, consigue un séptimo puesto en el G.P de Gran Bretaña, lo que le mantiene en el equipo este año.