Fra 1959 var Hill fulltids Formel 1-fører for Scuderia Ferrari, og oppnådde tre pallplasseringer og en fjerdeplass i førermesterskapet. I 1960 vant han Italias Grand Prix på Monza. Dette var første gang en amerikansk fører vant et Grand Prix-løp på nesten førti år, siden Jimmy Murphy vant Frankrikes Grand Prix i 1921. Dette var også siste gang en bil med frontmontert motor vant et Formel 1-løp. I 1961 vant Hill Belgias Grand Prix og med to løp igjen lå han på andreplass i verdensmesterskapet bak sin teamkamerat Wolfgang von Trips. Men i Italias Grand Prix omkom von Trips og femten tilskuere i en voldsom ulykke. Hill vant løpet og sikret seg mesterskapet, som den eneste amerikansk-fødte føreren noensinne (Mario Andretti, som ble mester i 1978 var amerikansk statsborger, men var ikke født i USA), men triumfen var bittersøt. Ferraris avgjørelse om å ikke dra til USA for sesongens siste runde gjorde også at Hill ikke fikk muligheten til å delta på hjemmebane i Watkins Glen som nykronet verdensmester. Da han kom tilbake til starten på Formel 1-sesongen 1962, som ble hans siste med Ferrari, uttalte Hill: «Jeg har ikke lenger så mye behov for å kjøre og å vinne. Jeg er ikke like sulten lenger. Jeg er ikke lenger villig til å risikere mitt eget liv».