Managé par Flavio Briatore depuis fin 2000, il a effectué ses débuts en Formule 1 lors de la saison 2001 au sein de la petite écurie italienne Scuderia Minardi. Il a ensuite rejoint l'écurie française Renault F1 Team, dirigée par Briatore, d'abord en tant que pilote essayeur en 2002 puis en tant que pilote titulaire en 2003. Révélation de l'année 2003 grâce à son succès au Grand Prix de Hongrie qui a fait de lui le plus jeune vainqueur de l'histoire de la Formule 1 (record de précocité récemment battu par Sebastian Vettel), il progresse dans la hiérarchie en même temps que son écurie jusqu'à décrocher le titre de champion du monde des piotes en 2005 avant de récidiver dès la saison suivante, devenant ainsi le plus jeune champion du monde et le plus jeune double champion du monde de l'histoire de son sport. Fin 2005, au lendemain de son premier titre mondial, il crée la sensation en annonçant son départ pour l'écurie McLaren-Mercedes à compter de 2007. Malgré une belle saison ponctuée de plusieurs succès, son année chez McLaren est surtout marquée par sa rivalité avec son jeune coéquipier Lewis Hamilton et ses relations orageuses avec son directeur Ron Dennis, ce qui l'amène à revenir chez Renault en 2008.
