Si sa saison 2019 n'est pas notable en termes de résultats, la suivante est celle de tous les succès. S'il manque, en août, les deux courses disputées à Silverstone pour avoir été testé positif au Covid-19, il marque des points dans presque toutes les courses auxquelles il participe au volant de la RP20 inspirée de la Mercedes W10 de 2019. Ses résultats vont crescendo : quatrième en Russie puis sur le Nürburgring, il termine deuxième du Grand Prix de Turquie et roule vers le podium à Bahreïn quand son moteur explose à trois tours de l'arrivée. Une semaine plus tard, le , sur le tracé externe du circuit bahreïni, il remporte la première victoire de sa carrière après avoir été accroché par Charles Leclerc au premier tour, et être remonté de la dix-huitième place, offrant un premier succès à son écurie. Il lui a fallu 190 départs pour connaître les joies de la victoire, ce qui constitue un nouveau record. Ce succès fait de lui le second Mexicain vainqueur d'un Grand Prix de Formule 1, cinquante ans après Pedro Rodríguez de la Vega au Grand Prix de Belgique 1970.