Lewis Hamilton réussit son envol à l'extinction des feux et mène les cinquante-six tours de course à sa main, ne laissant le commandement à Sebastian Vettel que durant trois tours, à l'occasion de son arrêt au stand du onzième tour. Le Britannique qui ne s'était plus imposé depuis le Grand Prix d'Allemagne le 31 juillet, gagne sa septième course de la saison, son quatrième succès sur cinq éditions disputées à Austin, et le cinquantième de sa carrière. Nico Rosberg permet aux Flèches d'Argent de réaliser leur cinquième doublé de la saison. S'il concède sept points à son coéquipier, son avance de vingt-six points pourrait lui permettre de gagner le titre mondial dès la course suivante. Rosberg, bien que devancé par Daniel Ricciardo au premier virage, se classe deuxième en profitant de la neutralisation de la course (par la voiture de sécurité virtuelle) après l'abandon de Max Verstappen au vingt-huitième tour, pour s'arrêter chausser des pneumatiques. Ricciardo dont la stratégie de course est contrecarrée par cet événement, monte toutefois sur la troisième marche du podium en devançant largement Sebastian Vettel, seul pilote Ferrari à l'arrivée. Mieux placé en course, Kimi Räikkönen est victime d'une erreur de ses mécaniciens qui n'ont pas serré un écrou de roue arrière lors de son troisième arrêt au trente-huitième tour, provoquant son abandon. En fin de course, Fernando Alonso, auteur de dépassements tranchants sur Felipe Massa et Carlos Sainz Jr., prend la cinquième place et égale son meilleur résultat de la saison. À un tour du vainqueur, Sainz termine sixième et Massa septième. Plus loin, Sergio Pérez, Jenson Button et Romain Grosjean prennent les derniers points en jeu.