Han startet sin Formel 1-karriere som testfører i 2006 for Renault. I 2007 fikk han et sete hos Renault, hvor han endte sesongen på en høyere plassering enn den rutinerte lagkameraten Giancarlo Fisichella. Den 14. desember 2007 ble det offentliggjort at Kovalainen skulle kjøre for McLaren i 2008, med Lewis Hamilton som lagkamerat. Der ble han i to sesonger, før han mistet setet sitt til den nykronede verdensmesteren Jenson Button. Han valgte så før -sesongen å gå over til Lotus Racing, som i skiftet navn til Caterham. I mistet han førersetet, men ble i en rekke løp hentet inn av Caterham som testfører på fredager i løpshelgene. For de to siste løpene i sesongen ble han hyret av Lotus F1 som erstatning for Kimi Räikkönen.