Llegó a la Fórmula 1 de la mano de Minardi, cedido por Renault, siendo el tercer piloto más joven de la historia en debutar. Su mejor posición fue la décima en el Gran Premio de Alemania. Desde 2002 a 2006, Renault fue su casa deportiva teniendo unos comienzos de los que siempre ha declarado que se arrepiente de haber pasado ese primer año como piloto de pruebas. 

Su primera carrera con Renault se saldó con un séptimo puesto en Australia. El 22 de marzo de 2003 se convirtió en el piloto más joven en lograr una pole position y un podio en Fórmula 1, con 21 años, en el Gran Premio de Malasia. En el Gran Premio de Brasil de 2003 sufrió el accidente más grave en su estancia en la Fórmula 1. En el Gran Premio de Hungría se convirtió en el piloto más joven en ganar  una carrera, con 22 años.

La temporada 2004 de Fórmula1 comenzó bien para el piloto asturiano, ya que acabó tercero la primera carrera en Melbourne. Mediada la temporada, Alonso logró una pole y un segundo puesto en Magny Cours. Poco más tarde, consiguió otros dos podios consecutivos en Hockenheim y Hungaroring. No sumó ninguna victoria aquella temporada; sin embargo, acabó la temporada con más puntos que en 2003, logrando el quinto puesto en el campeonato de pilotos. Los dos siguientes años significaron sus títulos como Campeón del Mundo coronándose como uno de los grandes del Gran Circo de la Fórmula 1.

En 2007 decide dar el gran salto de McLaren Mercedes compartiendo equipo con Lewis Hamilton. Tras un año lleno de polémicas, Fernando Alonso decidió abandonar la escudería por no sentirse lo suficientemente apoyado y a pesar de acabar con cuatro primeros puestos y doce podios en un cómputo global que le hizo acabar tercero en la clasificación general. 2008 supuso su regreso a Renault donde no protagonizó un gran número de victorias pero, junto a su equipo, logró realizar una serie de mejoras en el monoplaza. Acabó quinto, pero fue un claro año de contrastes, porque a excepción de dos victorias en Singapur y Japón y un meritorio segundo puesto en Brasil, la mejor clasificación del asturiano no subió de una cuarta plaza. Tras pelear en 2009 con su Renault le llega su gran momento y en los días previos al final del Mundial 2010, anuncia su fichaje por el equipo con el que siempre soñó, Ferrari.

Su inicio fue perfecto en 2010 con un triunfo aplastante en Bahréin, algo que sólo habían logrado en la historia de la escudería italiana tres hombres: Andretti, Mansell y Raikkonen. Posteriormente, el rendimiento de su F10 no fue el esperado y no fue hasta el décimo Gran Premio de la temporada cuando regresó a lo más alto del podio.  De estar alejado de la cabeza, llegó a Abu Dabi como líder con ocho puntos de ventaja sobre Mark Webber, segundo clasificado. Sin embargo, un garrafal error de lectura en la carrera más importante permitió a Vettel asaltar el liderato.

El piloto asturiano de Ferrari no pudo disputarle en 2011 el título al Red Bull de Vettel y hubo de conformarse con una cuarta posición, muy por debajo de las aspiraciones del bicampeón español y de la Scudería, cuyo monoplaza se mostró muy poco competitivo.

En 2012, Fernando Alonso se quedó a tres puntos de lograr el tricampeonato y, como ya sucediera en 2010, el asturiano volvía a la segunda posición de la clasificación de pilotos, solo superado por Sebastian Vettel.

El F2012 no fue el mejor monoplaza de la temporada y su discreto rendimiento en las calificaciones de los grandes premios fueron clave a final de temporada. Sin embargo, el pilotaje de Alonso hizo que el Ferrari venciera en Malasia, Valencia y Alemania, siendo el primer piloto en repetir victoria en 2012.

En Bélgica y Japón, el asturiano no pudo pasar de la primera vuelta debido a incidentes ajenos a él. Esto, sumado a la remontada del RB8 del dúo Vettel-Newey, significó la pérdida del liderato de Alonso. Sin embargo, su capacidad para sacar lo máximo de un monoplaza modesto le ha valido el respeto de toda la comunidad de la F1, que coincidió en que 2012 había sido su mejor año.