Managé par Flavio Briatore depuis fin 2000, il fait ses débuts en Formule 1 lors de la saison 2001 au sein de l'écurie italienne Scuderia Minardi. Il rejoint ensuite l'écurie française Renault F1 Team, dirigée par Briatore, en tant que pilote-essayeur en 2002 puis en tant que titulaire en 2003. Révélation de l'année 2003 grâce à son succès au Grand Prix de Hongrie qui fait de lui le plus jeune vainqueur de l'histoire de la Formule 1 (record battu par Sebastian Vettel en 2008 puis par Max Verstappen en 2016), il progresse dans la hiérarchie en même temps que son écurie jusqu'à remporter le titre de champion du monde des pilotes en 2005 et de récidiver la saison suivante, devenant le plus jeune champion du monde (record battu par Lewis Hamilton en 2008 puis par Sebastian Vettel en 2010) et le plus jeune double champion du monde de l'histoire de son sport (record battu par Sebastian Vettel en 2011).