Серхио "Чеко" Перес Мендоса родился 26 декабря 1989 года в мексиканском городе Гуадалайра. Он является младшим братом гонщика Антонио Переса, который участвовал в гонках NASCAR Corona Series.

Его карьера началась в 2004 году в Америке, там он принимал участие в гонках серии Skip Barber National Championship, завершив сезон с 11-ым результатом.

В 2005 году он приехал в Европу, где принял участие в серии German Formula BMW ADAC. Перес выступал за команду Team Rosberg и был классифицирован по итогам чемпионата 14-ым. В 2006 – 2007 годах Перес участвовал в гонках чемпионата GPА1, выступая за команду Мексики. В этом соревновании он был 3-им.

В 2007 году Перес перешел в британскую Формулу-3. Там он представлял команду Т-Sport. Часто стартуя с поул-позиций, Серхио сумел выиграть почти две трети гонок. В 2008 году он продолжает одерживать победы, возможно, благодаря тому, что на его болиде теперь стоит двигатель Mugen Honda. Свой второй сезон в Формуле-3 мексиканец завершил на четвертой позиции в общем зачете пилотов.

В сезоне 2009-2010 Перес участвовал в гонках серии GP2 Asia, выступая в составе команды Barwa International Campos Team, где его партнером по конюшне был Виталий Петров. Перес стал первым мексиканцем, принявшим участие в серии GP2 Asia. Он выиграл гонку на трассе Сахир, и спринт - в Катаре. Кроме этого в 2009 году он также принимал участие в гонках основной серии GP2 за рулем болида команды Arden International.

4 октября 2010 года было объявлено, что Серхио Перес станет вторым призовым пилотом команды Sauber, где его напарником будет Камуи Кобаяши, вместе с которым они выступали в GP2. Переход Серхио из серии GP2 в королевскую категорию гонок во многом стал возможен благодаря спонсорской помощи мексиканской компании Telmex.

27 марта 2011 года дебютировал на гран-при Австралии в Мельбурне, заняв 7-ое место, однако позже был дисквалифицирован из-за несоответствия техническому регламенту заднего антикрыла.

28 мая 2011 во время третьего сегмента квалификации Гран-при Монако Перес попал в серьёзную аварию. Его болид потерял управление, врезался в рельс безопасности и после ударился о заграждение между поворотами 10 и 11. Серхио был госпитализирован с сотрясением мозга, однако выписался из госпиталя уже во вторник.

25 марта 2012 года на Гран-при Малайзии первый раз в карьере гонщика Формулы-1 оказался на подиуме, финишировав на 2-ом месте.

28 сентября 2012 года подписал многолетний контракт с Mclaren, тем самым заменив Льюиса Хэмилтона, который перешел в Мерседес.