En su carrera en Fórmula 1, ha competido para los equipos Minardi, Renault, McLaren, Ferrari, Alpine y Aston Martin. Con la escudería francesa Renault, logró tanto el Campeonato de Pilotos como el Campeonato de Constructores junto a Giancarlo Fisichella en dos temporadas consecutivas, estableciendo numerosos récords en su momento. Se convirtió en el piloto más joven en ganar un título de Fórmula 1, con 24 años y 58 días, superando a Emerson Fittipaldi; este récord fue posteriormente superado por Lewis Hamilton en 2008 (23 años y 300 días) y luego por Sebastian Vettel en 2010 (23 años y 134 días). En 2007, terminó tercero, empatado a puntos con su compañero Lewis Hamilton y a solo un punto de Kimi Räikkönen, en un año lleno de controversia.
Tras dos temporadas de transición a Renault, pasó a formar parte de la escudería de Maranello entre 2010 y 2014, donde logró tres subcampeonatos y un Grand Chelem. En 2015 regresó a McLaren-Honda, donde al no poseer un coche medianamente competitivo, no pudo hacer grandes cosas, permaneciendo hasta su retirada en 2018. Tras dos años fuera de la categoría, volvió en 2021 con la escudería Alpine -parte de la familia Renault-, con la que ganó sus dos títulos, pero por varias circunstancias, aquí tampoco pudo hacer gala de su magia. Desde 2023 forma parte del equipo Aston Martin, donde finalizó cuarto en el campeonato, logrando en su primer año ocho podios y una vuelta rápida.