Fernando Alonso byl třetím nejmladším pilotem, který kdy ve formuli 1 startoval. Debutoval v roce 2001. V roce 2003 usedl jako parťák Jarna Trulliho do vozu Renault. Tentýž rok se stal nejmladším pilotem historie, který získal pole position na okruhu v Malajsii a poté i nejmladším vítězem závodu, ve Velké ceně Maďarska. Celkově skončil šestý. O rok později čtvrtý. Při Velké ceně Evropy 2003 pravdivě obvinili David Coulthard, tým McLaren a generální manažer Martin Whitmarsh Alonsa, že při závodě brzdil Coultharda.
První fantastický ročník zažil Fernando Alonso v roce 2005, kdy se stal se nejmladším mistrem světa v historii. Fernando Alonso a Kimi Räikkönen sváděli těsný souboj až do úplného konce, kde rozhodl spolehlivější vůz Renaultu. O rok později se stal opět mistrem světa, když pokořil Michaela Schumachera. Při druhém volném tréninku na Velké ceně Maďarska 2006 ohrozil na životě úmyslnou nebezpečnou jízdou Roberta Doornbose z Red Bullu. Stevardi potrestali Alonsa za nebezpečnou jízdu jednosekundovou penalizací k jeho nejrychlejšímu kolu v kvalfikaci, kdy dále v průběhu sezóny v médiích opakovaně vystupoval proti vlastnímu týmu, protože již měl podepsanou smlouvu se stájí McLaren.
V roce 2007 Fernando Alonso závodil za McLaren, kde podepsal roční kontrakt na 20 milionů liber a měl spoustu problémů se svým stájovým kolegou Lewisem Hamiltonem. Při kvalifikaci na Velkou cenu Maďarska 2007 úmyslně zablokoval Hamiltonovi výjezd z boxu, který tak nemohl zajet poslední měřené kolo, za což byl od FIA potrestán posunutím 5 míst na startovním roštu. Jako jezdec tymu McLaren se aktivně podílel na špionáži s daty týmu Ferrari, a při Velké ceně Maďarska vydíral Rona Dennise tím, že pokud nedostane lepší podmínky než jeho týmový kolega, udá vlastní tým orgánům FIA, což nakonec stejně udělal, kdy dále měl požadovat i sabotáž vozu Lewise Hamiltona, na kterého nestačil.
S McLarenem se po sezoně nedobrovolně rozloučil a putoval na dva roky zpět do Renaultu. Při Velké ceně Singapuru 2008 tým Renault zinscenoval ve 14. kole po Alonsově zastávce v boxech nehodu týmové dvojky Nelsona Piqueta jr, po níž vyjelo na trať bezpečnostní vozidlo. Alonso se díky tomu z původně patnáctého místa na startu dostal na první pozici a závod vyhrál. Dle tvrzení stájového kolegy o všem dopředu věděl.
Mezi lety 2010-2014 Fernando Alonso závodil za stáj Ferrari. Po vlastní chybě v kvalifikaci Velké ceny Itálie 2013 označil členy týmu Ferrari za idioty. Ferrari se mu pokusilo pomoci jízdou v aerodynamickém zákrytu za Fellipem Massou, Alonso byl ale pomalejší a Felipe Massa mu ujel.
Od roku 2015 závodí za tým McLaren-Honda, kde tvoří dvojici s dalším veteránem Jensonem Buttonem.