Cette même année 2004, Robert Doornbos fait ses débuts de pilote de Formule 1 comme pilote d'essai et de réserve de l'écurie Jordan, à l'occasion du Grand Prix de Chine. Il remplit encore ce rôle pendant la première moitié de la saison 2005, jusqu'à ce que l'écurie Minardi fasse appel à lui et lui permette d'effectuer ses débuts en course, lors du Grand Prix d'Allemagne, qu'il termine à une honorable . Il dispute les huit dernières courses de la saison et s'il ne marque pas de points, en raison de la faiblesse du matériel dont il dispose, il se fait suffisamment remarquer pour signer, à 24 ans, un contrat de pilote d'essai et pilote de réserve avec l'ambitieuse écurie Red Bull. Le , il est désigné comme pilote titulaire de l'écurie Red Bull pour les trois derniers Grands Prix de la saison, en remplacement de Christian Klien, évincé pour manque de résultats et pour avoir refusé l'offre de Red Bull de poursuivre sa carrière en DTM ou Champ Car. Plutôt à son avantage lors de ces trois épreuves, notamment en qualifications où il prend à deux reprises le meilleur sur son coéquipier David Coulthard, il n'est pas en mesure de conserver son volant pour la saison 2007, l'Australien Mark Webber ayant déjà été recruté.