Nella stagione 2020 viene riconfermato per la scuderia italiana, la quale ha nel frattempo cambiato nome in Scuderia AlphaTauri. Al Gran Premio d'Italia 2020 conquista la sua prima vittoria in Formula 1, precedendo Carlos Sainz Jr. e Lance Stroll. L'ultimo francese a vincere un Gran Premio nella massima serie fu Olivier Panis nel folle Gran Premio di Monaco 1996. Nelle gare successive ottiene altri risultati utili, tra i quali spicca un quinto posto nel Gran Premio del Portogallo. Il francese chiude la stagione al 10º posto con 75 punti, venendo riconfermato per la stagione successiva.