Kaudelle {{F1-kausi|2010}} Vettel lähti yhtenä ennakkosuosikeista. Hän aloittikin kauden vahvasti [[Bahrainin Grand Prix 2010|Bahrainin GP:ssä]] ottamalla paalupaikan, mutta Red Bullin auton teknisten vikojen takia hän jäi kilpailun lopputuloksissa neljänneksi. Myös kauden toisessa kilpailussa [[Australian Grand Prix 2010|Australiassa]] hän ajoi paalupaikan uudella rataennätyksellä, mutta auton mutterin kiinnityksen aiheuttama ulosajo vei tällä kertaa mahdollisuudet voitostavoittoon. [[Malesian Grand Prix 2010|Malesiassa]] Vettel ei yltänyt paaluun, mutta ajoi kisassa sitäkin paremmin, startissa kärkeen ja ylivoimainen voitto sekä paikka jaetulla kakkosijalla MM-taulukossa. Seuraavan kerran Vettel ajoi voittoon Euroopan GP:ssä. Turkin kilpailussa Vettel kolaroi Webberin kanssa ja joutui keskeyttämään. Vettel syytti kolarin jälkeen Webberiä tilanteesta. Belgian kilpailussa Vettel kolaroi Buttonin kanssa ja putosi sijalle 15. Japanin kilpailussa Vettel ajoi ylivoimaiseen voittoon. Korean kilpailussa Vettel joutui keskeyttämään moottoririkkoon johtoasemasta 10 kierrosta ennen loppua. Brasilian GP:ssä Vettel ajoi jälleen voittoon. Abu Dhabin osakilpailussa Vettel otti voiton ja varmisti uransa ensimmäisen maailmanmestaruuden. Hänestä tuli näin ollen koko F1-historian nuorin maailmanmestari ollen neljällä pisteellä parempi toiseksi tulleeseen Alonsoon nähden.
[[File:Sebastian Vettel won 2010 Japanese GP.jpg|thumb|right|250px|Vettel voittonsa jälkeen Japanin GP:ssä 2010]]
