Il 16 dicembre 2020 viene ufficializzato il suo approdo ufficiale in Formula 1 con la Scuderia Alpha Tauri per la stagione 2021, al posto di Daniil Kvjat. È il primo giapponese a correre nella massima serie dal 2014, ultimo anno di attività per Kamui Kobayashi, ed è anche il primo pilota nella storia della Formula 1 ad essere nato nel XXI secolo. Tsunoda sceglie come numero di gara il 22, utilizzato l'ultima volta da Jenson Button nel Gran Premio di Monaco 2017.