En 2001 da el salto a la Fórmula 1. Fichado por Renault, es cedido a Minardi como piloto oficial. Con este equipo debutó en el Gran Premio de Australia. Su mejor clasificación con Minardi fue un 10º puesto en el Gran Premio de Alemania.

En el año 2002 fue recuperado por Flavio Briatore como piloto probador de Renault. Se convirtió en piloto oficial al siguiente año.

En 2003 consiguió ser el piloto más joven, con 21 años, en conseguir una pole, y el más joven en ganar un gran premio, el Gran Premio de Hungría.

En 2005, tras la disputa del GP de Brasil, hizo historia al convertirse en el primer español y el piloto más joven, con 24 años, en ser coronado campeón mundial de Fórmula 1.

En 2006 consigue proclamarse campeón mundial por segunda vez consecutiva después de una lucha encarnizada durante todo el campeonato con el alemán Michael Schumacher.