Für die Formel-1-Weltmeisterschaft 2013 erhielt Gutiérrez schließlich ein Einsatzcockpit bei Sauber in der Formel 1. Bei seinem Debütrennen in Australien erzielte er den 13. Platz. In Spanien lag Gutiérrez strategiebedingt kurzzeitig in Führung. In der Schlussphase fuhr er die schnellste Rennrunde. Als Elfter verpasste er jedoch die Punkteränge. Beim Großen Preis von Japan erzielte Gutiérrez mit einem siebten Platz zum einzigen Mal in der Saison Punkte. Mit 6 zu 51 Punkten unterlag er teamintern Nico Hülkenberg und wurde 16. in der Fahrerwertung. 2014 absolvierte Gutiérrez seine zweite Formel-1-Weltmeisterschaft für Sauber. Er wählte bei der Einführung der permanenten Formel-1-Startnummern die #21 für seine weitere Karriere. Gutiérrez blieb – wie sein Teamkollege Adrian Sutil – ohne Punkte. Ein zwölfter Platz beim Saisonauftakt in Australien war sein bestes Ergebnis. Am Saisonende belegte er den 20. Gesamtrang. Gutiérrez verließ Sauber nach zwei Jahren. 2015 war er Test- und Ersatzfahrer bei der Scuderia Ferrari.