Loeb a commencé sa carrière sur le circuit d'Alsace-Mulhouse en 1987 à l'âge de treize ans, où il remporta sa première course. En 1993, il fut champion de France des rallyes juniors. Il intégra l'équipe Citroën Junior Team en 1999 et remporta le championnat de France des rallyes en 2000. Deux ans plus tard, il remportait son premier titre mondial en gagnant huit courses du championnat.
En 2006, il remporta ses quatre premiers titres consécutifs du championnat du monde des rallyes en terminant première à quatorze des dix-sept épreuves de la saison. Il battit ainsi le record précédemment détenu par Tommi Mäkinen et Markku Alén. En 2007, il remporta sa sixième victoire consécutive sur l'épreuve mythique du rallye Monte-Carlo, après avoir terminé deuxième en 2005 et 2006.
En 2013, Loeb disputa les 24 Heures du Mans pour la première fois dans une voiture LMP2 de l'équipe Rebellion Racing. Il partit de la pole position et remporta la course avec ses copilotes Nelson Piquet Jr. et Nicolas Prost. La saison suivante, il gagna de nouveau les 24 Heures du Mans sur une Ligier JS P2 d'OAK Racing aux côtés de Piquet Jr., son coéquipier à Citroën entre 2006 et 2013, et Stéphane Sarrazin.
En 2014, il prit sa retraite des rallyes pour se consacrer aux épreuves d'endurance automobile. Depuis 2017, il est copilote de Rhys Millen sur une Peugeot 208 T16 dans le championnat américain de drift et a remporté deux courses. En 2018, il gagna la Pikes Peak International Hill Climb sur une Peugeot 208 T16 Pike's Peak.
Loeb est considéré comme l'un des plus grands pilotes automobile de tous les temps et a été nommé membre honoraire du Racing Club de France en mars 2013. Il détient un record de quatorze titres mondiaux dans différentes disciplines : sept titres mondiaux de rallye, six titres FIA World Touring Car Championship (WTCC) et un titre FIA GT Series.