Le , au Grand Prix d'Italie, après s'être élancé en dixième position, Gasly profite des circonstances de course affectant l'épreuve pour remonter jusqu'en troisième position au vingt-troisième tour puis prendre la tête de la course au vingt-huitième tour. Devant faire face à la remontée de Carlos Sainz en deuxième partie de course, le Normand résiste aux attaques du pilote espagnol et remporte de justesse sa première victoire en Formule 1 devenant le vainqueur de Grand Prix et le premier Français depuis Olivier Panis au Grand Prix de Monaco 1996. Il devient le plus jeune pilote français vainqueur d'un Grand Prix. Il met ainsi un terme à la suprématie du trio Ferrari-Mercedes-Red Bull qui se partageaient les victoires depuis le Grand Prix de Malaisie 2013. En Toscane, il abandonne après un accident au premier tour et chute à la dixième place du championnat. Douzième sur la grille de départ du Grand Prix de l'Eifel, il marque des points pour la septième fois de la saison en franchissant la ligne d'arrivée sixième. Qualifié en neuvième position au Portugal, il termine cinquième après un dépassement agressif sur Sergio Pérez en fin de course. Le , la Scuderia AlphaTauri annonce le conserver pour 2021. En Turquie, sa monoplace souffre des conditions pluvieuses et du manque d'adhérence de la piste ; il se qualifie à la quinzième place. Pénalisé pour avoir changé les éléments de son moteur, il part dix-neuvième et finit la course treizième. Lors du Grand Prix de Bahreïn, il profite des événements de courses pour prendre les points de la sixième place. Huitième du dernier Grand Prix, à Abou Dabi, Pierre Gasly se classe dixième du championnat, avec 75 points.