Al contrario que otros pilotos, Sergio inició tarde su andadura en el motociclismo de competición, concretamente a los 16 años.
En el año 2001 participó en la Fórmula de Promoción Bancaja. En un principio, su planteamiento fue correr en la categoría de 50cc, pero dado que ya tenía 16 años, pasó directamente a disputar la modalidad de 125cc. Las cosas no le fueron mal y terminó el campeonato en 9.ª posición. Un gran resultado teniendo en cuenta que era su primer contacto con el mundo de la competición.
El año siguiente dio el salto al Campeonato de España de Velocidad, a bordo de una Honda 125cc estándar y con un reducido equipo, Gadea se alzó esa temporada con el subcampeonato de la Fórmula de Campeones y terminó undécimo en el Campeonato de España (CEV) de 125cc.
Siguió corriendo en las dos competiciones en la temporada 2003, pero esta vez pilotando una Aprilia en el Racing Team Gadea donde corrió junto a Nicolás Terol. Finalmente no pudo ser y Gadea tendría que conformarse con el subcampeonato, tanto de la Fórmula de Promoción como del CEV de 125cc, que caería en manos del piloto de TalaveraÁlvaro Bautista ya mundialista en aquella época.
125cc
En 2003 a la vez que corría la Fórmula de campeones y el CEV tomo parte como piloto invitado en tres pruebas del Campeonato del Mundo de 125cc en los tres grandes premios que se celebraron en circuitos españoles, sumado al GP de Portugal.
La temporada 2004 fue para Sergio su primer asalto al Mundial y sólo conocía las pistas de Valencia, Cataluña, Jerez y Portugal. Sergio empezó de menos a más y en las últimas carreras del año se le podía ver luchando con los mejores de la categoría. Fue en el GP de Valencia dónde Gadea logró su mejor resultado de la temporada; quinto después de liderar la carrera durante varias vueltas.
Los frutos llegan para Sergio Gadea en la temporada 2005, dónde logra su primer podio en el GP de Francia. En el GP de Valencia, marca la pole position. Gadea acaba la temporada en la decimosegunda posición de la clasificación general.
En 2006 logra la quinta plaza de la general tras sumar un segundo puesto y cuatro terceros.
Su primera victoria mundialista le llega a Sergio en 2007 al alzarse con la victoria en el GP de Francia consiguiendo además un podio en el GP de Valencia con lo que finaliza 7.º en la clasificación general.
Para la temporada 2008 continúa en el equipo de Aspar pilotando una Aprilia RSA125 oficial teniendo como compañero de equipo al húngaroGabor Talmacsi (campeón de 125cc en 2007) y al debutante español Pere Tutusaus. Consigue su segunda victoria mundialista en la carrera inaugural de la temporada en Catar tras sufrir unos días antes una lesión de cierta importancia. A pesar de la victoria inicial el campeonato resulta un desastre para Sergio y termina en una discretísima 12.º posición, a pesar de sus malos resultados Aspar sigue confiando en él y lo mantiene para la temporada 2009, en la que termina en 5.ª posición, consiguiendo una victoria en el GP de Assen.
Moto2
A principios de enero del año 2010, fue confirmado oficialmente como piloto de la escudería Pons Racing. Su temporada fue irregular, en Catar logra una décima posición y en Jerez y Le Mans logra una sexta posición, mejora en Mugello logrando un segundo puesto pero de ahí en adelante su rendimiento es muy irregular y se cae en Sachsenring, Misano y Sepang. A finales de temporada, debido a su bajo rendimiento, Gadea confirma que vuelve a la categoría de 125 cc a manos del equipo Bluesens-STX.
Vuelta a 125cc
Sergio Gadea inicia la temporada con el Blusensby Paris Hilton Team, obteniendo dos terceras plazas, Catar y Assen, y 108 puntos, terminando octavo en la clasificación. A pesar de no ser una mala temporada, Sergio Gadea vuelve a ser despedido debido a que "los resultados deportivos no han sido los esperados" y es reemplazado por Josep Rodríguez.
En la temporada 2012, disputa la Ronda de Italia de Superbikes con el equipo oficial Kawasaki Racing Team, en el Circuito de Monza, para sustituir al lesionado Joan Lascorz. En la primera carrera se fue al suelo en la primera vuelta al verse involucrado en un accidente múltiple, y poco después fue suspendida por motivos de seguridad debido a la intensa lluvia que cayó justo después del Warm-Up Lap. Para la segunda manga, el equipo decidió no salir ya que la moto había sufrido severos daños que no pudieron ser reparados.
Durante el resto del año no encontró ninguna otra oferta interesante ni ningún otro hueco para disputar pruebas de Superbikes o del Mundial de Motociclismo, negándose a pagar para aquellas ofertas que le solicitaban una cantidad para poder subirse a una moto.