Après avoir débuté en karting dès l'âge de 4 ans avec un père, propriétaire d'une piste de karting (champion de France minimes en 2001), il a remporté le championnat de Formule Renault en 2008. En 2010, il est devenu le premier pilote français, vainqueur du championnat de Grande-Bretagne de Formule 3 avec au total 13 victoires en 22 courses dont trois lors d'un même week-end (à Spa), un exploit jamais réalisé auparavant ! Vice-champion de Formule Renault 3,5 en 2011 avec 6 victoires. Il accède à la F1 en 2012 en tant que pilote de Toro Rosso, devenant le 68eme pilote français de l'histoire à courir en Formule 1. Pour sa première course, il termine onzième, très proche de marquer ses premiers points au championnat du monde, chose faite dès son deuxième GP en Malaisie, où il termine huitième (51 points marqués en 58 courses). Après trois saisons de F1, il n'a pas été retenu pour la saison 2015 car l'écurie italienne a décidé, sous l'impulsion de Red Bull, de faire confiance à deux jeunes pilotes inexpérimentés, le Néerlandais Max Verstappen (17 ans) et l'Espagnol Carlos Sainz Jr (20 ans). Il rejoindra ensuite Ferrari en tant que pilote essayeur.

Il a poursuivi avec succès sa carrière en Formule E avec deux titres de champion du monde, en 2018 et 2019 (2eme en 2020 ; 10 victoires, 24 podiums, 11 pole positions et 3 meilleurs tours en 80 courses). Vainqueur des 24 Heures du Mans en catégorie LMP2 en 2018.