Visti i buoni risultati Ascari riuscì a procurargli un contratto con la Lancia, che lo inserì nel programma per debuttare in Formula 1 nella stagione 1954. La progettazione e la messa a punto della Lancia D50 si rivelò, però, più lunga del previsto e il debutto avvenne solo nel 1955. Ottenne quindi un secondo posto a Monaco, ma la morte di Ascari, avvenuta meno di una settimana dopo, portò la casa torinese alla decisione di ritirarsi dal mondiale. A Castellotti venne concesso da Gianni Lancia di correre il Gran Premio del Belgio con una delle D50 e l'italiano ottenne la sua unica pole position in carriera su un circuito a lui sconosciuto. In gara fu però costretto al ritiro mentre occupava la terza posizione dietro le due Mercedes di Fangio e Moss. Dopo la gara di Spa passò dunque alla Ferrari, con cui disputò gli ultimi appuntamenti della stagione. Dopo un quinto posto in Olanda e un sesto in Gran Bretagna, per la gara di Monza il team di Maranello portò al debutto per la prima volta le D50 donate da Gianni Lancia, ma le monoposto evidenziarono diversi problemi durante le prove. Castellotti, pur di correre con le più potenti vetture torinesi si dichiarò disposto a firmare una dichiarazione di responsabilità, ma Enzo Ferrari glielo negò. Nonostante ciò riuscì a raggiungere al terzo posto, dietro Fangio e Taruffi e chiuse quindi il campionato piloti in terza posizione con dodici punti ottenuti.