Il a commencé sa carrière en 1995 dans le Championnat de France des Rallyes Junior et s'est rapidement fait remarquer pour ses performances exceptionnelles.
En 1998, il rejoint Citroën et remporte la Coupe Citroën Saxo Kit Car. En 2002, il gagne le Championnat de France des Rallyes avec une Citroën Xsara Kit Car.
Sébastien Loeb devient pilote officiel de Citroën en 2003 et remporte son premier titre du Championnat du Monde des rallyes la même année, un record qu'il détenait à ce jour avec quatre titres consécutifs jusqu'en 2006.
De 2004 à 2012, Sébastien Loeb domine le championnat du monde des rallyes en remportant neuf titres mondiaux consécutifs, battant ainsi les records de Colin McRae et Juha Kankkunen qui détenaient jusqu'alors le plus grand nombre de titres (7 pour chacun).
En 2014, il passe à l'écurie Citroën Total Abu Dhabi World Rally Team. Il remporte cette année-là son dixième titre mondial, égalant le record de Marc Surer et Michael Schumacher dans les championnats du monde automobile.
En 2015, Sébastien Loeb termine vice-champion du monde derrière le pilote Volkswagen Sébastian Ogier, avec un total de dix-sept victoires en treize saisons au volant des Citroën.
En 2016 et 2017, il court pour l'écurie Dakar Team Peugeot et participe à la course Paris-Dakar. Il remporte la première étape en 2016 mais abandonne ensuite à cause d'une crevaison.
En 2018, Sébastien Loeb passe à l'écurie M-Sport Ford WRC. Il termine vice-champion du monde des rallyes cette année-là avec quatre podiums et un total de 75 victoires en championnat du monde.
En 2019, il court pour l'écurie Hyundai Shell Mobis World Rally Team. Il termine vice-champion du monde des rallyes cette année-là avec deux podiums et un total de 77 victoires en championnat du monde.
En 2020, il court pour l'écurie Bahrain Raid Xtreme (BRX) dans le Rallye Dakar. Il termine cinquième au classement général.
Sébastien Loeb a également remporté plusieurs records en rallye : il est le pilote ayant couru le plus de kilomètres, le pilote ayant gagné le plus de manches, le pilote qui a marqué le plus de points et le pilote ayant remporté la plus grande moyenne de victoires par saisons en championnat du monde des rallyes.
Il est considéré comme un grand de l'histoire du sport automobile.