Nonostante il rifiuto della Sauber Bernoldi riuscì a esordire in Formula Uno al Gran Premio d'Australia 2001, al volante della Arrows-Asiatech, grazie anche all'appoggio finanziario della Red Bull. Nel suo primo anno di attività il brasiliano non giunse mai in zona punti e la stagione fu costellata di ritiri; tuttavia nel Gran Premio di Monaco si mise in luce per essersi tenuto dietro David Coulthard, allora pilota della McLaren ed in lotta per il Campionato, per oltre metà gara, fino alla sosta ai box. A fine gara lo scozzese lo definì un idiota per non averlo fatto passare. L'annata successiva non fu migliore della precedente e i problemi economici del team inglese, che a 5 gare dalla fine della stagione si ritirò, lasciarono sia Bernoldi che il compagno di squadra Frentzen senza un volante. A questo punto il pilota passò in World Series by Nissan, dove rimase anche per il 2003 e per il 2004, ottenendo quattro vittorie, tornando in Formula 1 a fine stagione come tester per la BAR e per la Honda.