Сергей Сироткин начал заниматься картингом в 7 лет. Уже в 2006 был чемпионом Москвы, а в 2007-08 - России. Затем он перебрался в европейский картинг. Сергей участвовал в различных международных сериях, где прошел путь от юниорских картов до категорий KF3 и KF2 к 2010 году.

В 14 лет Сергей дебютировал в формульных гонках, заключив контракт с командой Jenzer Motorsport и приняв участие в первом сезоне итальянской гоночной серии Формула Абарт в составе команды Jenzer Motorsport. В своей первой же гонке на трассе Валелунга он финишировал в очковой зоне, а после этого ещё четыре раза смог набрать очки.

Сироткин остался в Формуле Abarth с командой Jenzer на второй сезон. В 2011 году Сергей участвовал в обоих зачетах Формулы-Абарт: итальянском и европейском. До этапа в СПА, Сироткин сменил коллектив на Euronova Racing. В итальянском зачете Сироткин благодаря трём подиумам набрал 136 очков и занял второе место в личном зачёте, не сумев догнать Патрика Нидерхаузера. В европейской серии россиянин провёл все 14 гонок, в десяти из которых финишировал на подиуме (5 побед). Благодаря показанным результатам он заработал 175 очков и стал чемпионом серии.

В 2012-м году Сергей перешёл в Мировую Серию Auto GP, продолжив сотрудничество с Euronova Racing. На первом этапе, прошедшем в Монце, Сироткин квалифицировался вторым, уступив Эдриану Куэйф-Хоббсу всего 0,04 секунды. Сергей заглох на старте, но смог занять четвёртое место во второй гонке этапа, он также установил лучшее время круга в обеих гонках. В Валенсии он снова уступил в квалификации Куэйф-Хоббсу, но сумел обойти его в гонке, став самым молодым победителем в истории Auto GP. Сергей показывал быстрейший круг 4 гонки подряд, тем самым побив рекорд Романа Грожана. Сироткин стал третьим в общем зачете, вслед за Куэйф-Хоббсом и Полом Вархаугом. Он закончил сезон с двумя победами на гонках в Валенсии и Сонома, и с семью подиумами. Также Сергей завоевал свою первую поул-позицию на городской трассе в Марракеше.

Сироткин также участвовал в итальянской Формуле-3 за рулем машины команды Euronova. Он записал на свой счёт две победы на Хунгароринге и Монце, а также ещё четыре подиума в течение сезона. Он закончил сезон пятым в обоих чемпионатах серии: европейском и итальянском.

Сироткин дебютировал в двух гонках Формулы-Рено 3.5 на трассе Moscow Raceway за команду BVM Target.

В 2013 году, Сироткин провёл полный сезон в Formula Renault 3.5 в команде ISR Racing. У него были подиумы в Альканисе и Хунгароринге, а также три очковых финиша, которые позволили ему закончить сезон на девятом месте в турнирной таблице чемпионата.

В июле 2013 года Сироткин присоединился к команде Sauber, c целью провести следующий сезон в Формуле 1.

В 2014 году Сироткин присоединился к команде Fortec Motorsport. Его машина часто ломалась и Сергей сошёл в пяти гонках. Только один раз, видя клетчатый флаг, Сергей не попал в очки. Особенно стоит отметить, поул и победу на домашней трассе Moscow Raceway.

Сергей также был подписан тест-пилотом команды Sauber. 8 апреля 2014 г. Сироткин принимал участие в тестах проходящих в Бахрейне. За 75 кругов он сумел проехать 300 км, необходимые для получения суперлицензии Формулы-1, и по результатам заездов показал 8-й результат. Сергей дебютировал в Гран-при в рамках пятничной тренировки на этапе в Сочи. Он проехал 22 круга и по результатам заезда стал 17-м, уступив всего около четырех десятых секунды более опытному партнеру по команде - Адриану Сутилю.

В феврале 2015 года было объявлено, что Сироткин дебютирует в серии GP2 с командой Rapax.

Испытав неприятности на первых двух этапах, Сергей выдал прекрасную серию подиумов на Европейских трассах. Он достиг своей первой победы в Сильверстоуне, выиграв субботнюю гонку, тем самым закончив серию Штоффеля Вандоорна из четырёх подряд побед по субботам. Одна победа, 4 подиума, поул и быстрый круг позволили ему набрать 139 очка и стать бронзовым призёром чемпионата. Кроме того, Сергей стал лучшим новичком чемпионата и получил специальный приз от Пирелли.

В 2016, Сергей продолжил выступать в серии, но уже в команде ART Grand Prix.

Сергей был единственным, кто по чистой скорости мог бороться с гонщиками команды Prema Racing. Однако, две ошибки в Барселоне и Монако, а также некоторые технические проблемы и невезение на других этапах в значительной степени повлияли на его шансы побороться за титул. Несмотря на это, после половины чемпионата Сергей лидировал в личном зачёте.

В этом сезоне он одержал две победы в гонках - на Хунгароринге и в Хоккенхайме. Кроме того, заработав 6 подиумов, 3 поула и 3 быстрых круга, Сергей набрал 159 очков и повторил прошлогодний результат - занял третье место в личном зачёте.

Сергей продолжил работу с Renault Sport F1 Team в качестве третьего и резервного пилота. Его программа включала в себя совместную работу на базе команды по развитию машины, работу на симуляторе, а также множество частных тестов и свободных практик в Ф1.

Впервые Сергей сел за руль на официальных тестах в Бахрейне. В течение сезона он четырежды участвовал в первой свободной практике Формулы 1 (в России, Испании, Австрии и Малайзии). Кроме того, он провел 6 частных тестовых дней на Renault (Lotus) E20, участвовал в Фестивале скорости в Гудвуде и в демо-заездах в Сильверстоуне на Renault RE40.

В этом сезоне Сергей вернулся в Формулу-2 на один этап в Баку. Он временно заменил Александра Албона в команде ART GP. Выходные для Сергея были нелегкими из-за проблем с машиной в практике, но он смог стать 10-м в первой гонке и 4-м во второй.

Также Сергей принимал участие в гонке «24 часа Ле-Мана». Сергей Сироткин был партнёром гонщика Индикар Михаила Алёшина и бывшего чемпиона GTE-Am Виктора Шайтара по экипажу SMP Racing #27, который выступал на Dallara P217. Экипаж SMP Racing финишировал на 17 месте в LMP2 и 34 месте в общем зачёте. Пилоты были одинаково быстры на трассе все сутки, но к огромному сожалению, ночью и с утра у машины возникли проблемы с надёжностью, в результате которых команда потеряла более часа времени.

По окончанию сезона Формулы 1 Сергей был приглашён командой Williams на тесты шин Pirelli, которые прошли на трассе Яс Марина в Абу-Даби.

16 января 2018 было объявлено, что Сергей Сироткин станет боевым пилотом команды Williams Martini Racing. 22-летний пилот программы SMP Racing стал напарником Лэнса Стролла.

Новая машина Williams FW41 оказалась самой медленной в пелетоне. Ей не хватало прижимной силы, она нервно вела себя в поворотах, плохо работала с резиной, была слишком зависима от конфигурации трассы и температуры, но главное – оказалась непредсказуема и сложна в управлении.

Пилотам Williams удалось заработать очки лишь в двух гонках – в Баку и в Монце. В такой ситуации главным ориентиром были результаты напарника. Сергей смог опередить Лэнса в квалификациях со счётом 13:8, не допускал серьёзных ошибок по ходу всего чемпионата, терпеливо работал с командой и никогда не критиковал команду.

Перед Гран-При Абу-Даби было объявлено, что SMP Racing и Сергей приняли решение не участвовать в чемпионате мира Формула 1 в рамках совместного проекта с командой Williams Martini Racing из-за низкого уровня болида и недостаточно высокого прогресса по ходу сезона.

В декабре Сергей был включен в состав Audi для тестов новичков DTM в Хересе. Он работал с командой WRT и проехал за день 91 круг.

13 января Сергей, по приглашению команды Mahindra Racing, принял участие в тестах автомобиля Формула Е, которые проходили на трассе в Марракеше (Марокко).

29 января было объявлено, что он присоединится к команде SMP Racing в Чемпионате мира по гонкам на выносливость и войдёт в состав экипажа под номером 17.

Позже было объявлено, что в сезоне 2019 года Сергей займет должность резервного пилота Renault F1 Team.