Po swoich sukcesach w niższych klasach formuł w roku 2000 dostał szansę ścigania się w F3000 – bezpośrednim przedsionku Formuły 1 – w barwach ekipy Prost Junior Team. Swój debiutancki sezon w tej klasie wyścigowej nie mógł jednak zaliczyć do udanych, gdyż zdobył raptem 1 pierwsze miejsce startowe, a najlepszym wynikiem końcowym było 2. miejsce na torze Magny-Cours we Francji. Sezon startów zakończył na 9 pozycji z 9 punktami na swoim koncie.
W sezonie 2001 Bourdais dołączył do zespołu DAMS, by ponownie spróbować swoich sił w prestiżowej F3000. Sezon ten był zdecydowanie bardziej udany dla Sébastiena. Wygrał wyścig na torze Silverstone w Wielkiej Brytanii. Zdobywając łącznie 26 punktów ukończył sezon na 4 pozycji w klasyfikacji generalnej.
Rok 2002 przyniósł zwycięstwo w klasyfikacji generalnej F3000 w barwach teamu Super Nova Racing. Bourdais wygrał 3 eliminacje mistrzostw i po dyskwalifikacji Tomasa Enge z powodu stosowania niedozwolonych środków farmakologicznych został mistrzem F3000.
Champ Car W roku 2003 przeniósł się do zespołu Newman/Haas Racing startującego w amerykańskiej serii Champ Car i od samego początku stał się jednym z czołowych jej kierowców.