22-åringen var 17,8 sekunder foran lagkameraten i Red Bull, australieren Mark Webber.
Vettel vant sin fjerde GP-konkurranse for sesongen og endte på annenplass sammenlagt.
Briten Jenson Button i Brawn-laget, som sikret seg VM-tittelen etter Brasils Grand Prix, avsluttet sesongen med tredjeplass etter at han hadde jaget Webber de siste rundene.
- Bilen gikk som en drøm i dag. Det er synd sesongen er over, sa Vettel, som fikk fart på sakene mot slutten av sesongen. Red Bull-føreren vant sin annen seier på de tre siste VM-rundene, og den femte i karrieren på Yas Marina-banen i Abu Dhabi.
Fin fight
Vettel var over seg av glede etter den fine innsatsen og roste hele laget for et godt taktisk opplegg.
- Det var en perfekt måte å avslutte sesongen på. Neste år kommer vi enda sterkere tilbake, sa han.
Bak Vettel kjempet lagkameraten Webber med årets VM-vinner Jenson Button.
- Det var gøy de siste rundene og en fin fight, mente Button.
Også Webber kjørte friskt og satset det han hadde på slutten av løpet.
- Vi kjørte hele tiden på grensen av det som var forsvarlig, men
det var et realt oppgjør, sa Webber.
Slutt for BMW Sauber
Nick Heidfeld avsluttet med femteplass for BMW Sauber, som trekker seg ut av formel-1-sirkuset etter denne sesongen.
Lewis Hamilton måtte gi seg underveis etter at han fikk tekniske problemer i sin McLaren-Mercedes.
Fra beste startposisjon fikk Hamilton en flying start, men i den 21.-runden var det over. Bremsene virket ikke som de skulle, og han måtte bare kjøre i depotet.