Kurz nach dem Saisonfinale der Formel 1 wurde verkündet, dass Tsunoda 2021 für AlphaTauri fahren wird. Dort ersetzt er Daniil Kvyat und wird Teamkollege von Pierre Gasly. Als Startnummer wählte Tsunoda die 22, die einerseits dem Doppelten seiner Startnummer im Kartsport (11) entspricht, andererseits auch eine Referenz an Jenson Button und Takuma Satō darstellt, die in der Vergangenheit beide diese Startnummer nutzten. Bei seinem Debüt in Bahrain erzielte er als Neunter auf Anhieb Punkte.