El salto a la F1 llega en 1994 cuando pasa de probador a piloto oficial en Williams-Renault como compañero de Damon Hill: consiguió 14 puntos y terminó octavo en el mundial de pilotos. Ese mismo año recibió el premio al Deportista Español del Año y el Deportista Joven del Año según la ITV.

Su tercer puesto en el mundial de pilotos de 1995 (con cinco poles y siete podios) le valieron su entrada en McLaren para la temporada 1996. Coulthard aún tuvo que esperar hasta 1997 para conseguir su primera victoria, en Australia, y aún repitió al vencer en el GP de Italia.

Su duro trabajo le mantuvo en uno de los equipos más importantes de la parrilla, aunque siempre a la sombra de otros pilotos. En 2000 vivió su momento más dulce: tres victorias (Gran Bretaña, Mónaco y Francia), tres segundos puestos (España, Austria y Malasia) y cinco terceros (San Marino, Europa, Alemania, Hungría y Japón) en 17 grandes premios.

Desde entonces empezó la cuesta abajo del piloto escocés. Además de su edad, la decadencia que pareció sufrir McLaren acabaron por dejarle fuera del equipo británico.

En 2005 recaló en Red Bull, donde parece vivir una segunda juventud. Después de una primera temporada sorprendente y de otra un tanto decepcionante, si tenemos en cuenta las expectativas levantadas, este tercer año comienza lleno de incógnitas para la escudería del toro y para el veterano DC.