Après deux saisons chez Renault (deux victoires en 2008, aucune en 2009), il signe chez Ferrari et remporte le Grand Prix inaugural de la saison 2010. Leader du championnat du monde 2010 au départ du dernier Grand Prix à Abou Dabi, une mauvaise stratégie de course le prive du titre mondial au profit de Sebastian Vettel. En 2012, il lutte jusqu'au bout avec Vettel pour le titre et s'incline de trois points à l'arrivée de l'ultime course au Brésil. Fernando Alonso est à nouveau vice-champion du monde en 2013 ; s'il obtient deux victoires et dix podiums, il termine à 155 points de Sebastian Vettel. Son succès au volant de la Ferrari F138 le 12 mai 2013, au Grand Prix d'Espagne, est sa et dernière victoire dans la discipline. Sa saison 2014 est sa moins bonne chez Ferrari, avec deux podiums et une sixième place au championnat du monde.