Hamilton hatte am Samstag den Rundenrekord gebrochen, um die Pole-Position zu holen, und fand im Q3 zusätzliche sechs Zehntel Geschwindigkeit, um beide Ferraris aus dem Wasser zu jagen.
Vettel wurde sogar von seinem Teamkollegen Kimi Räikkönen auf den zweiten Platz geschlagen und kam vom Start weg nicht weiter, sodass es so aussah, als könnte der Finne allein den Weltmeister um den Sieg herausfordern.
Doch nachdem die beiden vorderen an die Box gegangen waren, hielt Romain Grosjean wegen eines losen Rades am Streckenrand an und löste ein virtuelles Safety-Car aus.
Da Hamilton und Räikkönen durch das Reglement bremsen mussten, tauchte Vettel in die Box und nutzte es, um vor dem Mercedes herauszukommen.
„Mit dem VSC hatten wir natürlich etwas Glück“ sagte Vettel hinterher.
„Zu Beginn hatte ich gehofft, dass es etwas besser wird, aber es hat nicht wirklich funktioniert.
„Als ich sah, dass Haas in Kurve zwei aufgehört hatte, war ich so voller Adrenalin.“
Vettel hatte Hamilton dicht hinter ihm, aber wie der Brite später auf dem Podium zugab, ist Melbourne ein schwieriger Ort zum Überholen .
1. Sebastian Vettel (Ferrari), 2. Lewis Hamilton (Mercedes), 3. Kimi Räikkönen (Ferrari), 4. Daniel Ricciardo (Red Bull), 5. Fernando Alonso (McLaren), 6. Max Verstappen (Red Bull), 7. Nico Hülkenberg (Renault) , 8. Valtteri Bottas (Mercedes), 9. Stoffel Vandoorne (McLaren), 10. Carlos Sainz (Renault), 11. Sergio Perez (Force India), 12. Esteban Ocon (Force India), 13. Charles Leclerc (Sauber), 14. Lance Stroll (Williams ), 15. Brendon Hartley (Toro Rosso).
Im Ruhestand: Romain Grosjean (Haas), Kevin Magnussen (Haas), Pierre Gasly (Toro Rosso), Marcus Ericsson (Sauber), Sergey Sirtokin (Williams).