A spanyol első évében a Minardinál már feltűnést keltett, de 2002-re mégis csak egy tesztpilótai állást kapott Flavio Briatorétől a Benettonnál. Amikor 2003-ban a csapat már Renault-ként a francia márka gyári alakulata lett, Alonso karrierje is fellendült, ugyanis versenyzői állást kapott.
Nem is sokat totojázott, már második renault-s versenyén megszerezte a pole pozíciót, és dobogóra is állt – azóta is ő a legfiatalabb, aki megtette ezt. Az első győzelem sem váratott sokat magára, minden idők legfiatalabb futamgyőztesévé nálunk, a Magyar Nagydíjon vált Alonso – bár azóta ezt a címet is elhódította Sebastian Vettel. 2004-ben egy újabb erős év következett, de győzelem nélkül.
2005-ben azonban ő volt az, aki ötéves uralkodás után letaszította Michael Schumachert a világbajnoki trónról, aki 2006-ban sem tudta visszahódítani a címet a spanyoltól.
A kétszeres világbajnok 2007-ben a McLarennél próbált szerencsét, de a hihetetlenül versenyképes újonc csapattárs, és az általa hiányolt kiemelt bánásmód miatt a szezon második felére visszafordíthatatlanul megromlott a viszony közte és a csapat között. Bár mindössze egyetlen ponttal lemaradva a címről lett harmadik, az év végén távozott a wokingiaktól.
2008-tól újra a Renault-nál versenyzett, de a gyenge autóval rosszul kezdődött az idény. A szezon utolsó harmadára azonban felzárkózott a csapat a fejlesztési versenyben, Alonso pedig a Belga Nagydíjtól számítva mindenki másnál több pontot gyűjtött, a Szingapúri és a Japán Nagydíjon pedig győzött is, igaz, mint utóbb kiderült, az előbbi futamon csalt a csapat.
Alonso 2009-ben is a Renault-nál maradt, de az autó még a korábbinál is versenyképtelenebb volt, a spanyol mindössze a futamok felén tudott kicsikarni belőle pontot, dobogóra mindössze egyszer állt, Szingapúrban. Az idény alatt folyamatos pletykák kötötték Alonsót a Ferrarihoz, amelyek végül valóra is váltak, a versenyző 2010-ben a maranellói csapatnál próbált az újabb címért küzdeni. És majdnem sikerrel is járt, az utolsó versenynek még az összetett első helyéről futhatott neki, de egy rossz boksztaktika miatt Sebastian Vettel elhappolta előle a címet. 2011-ben nem sikerült a visszavágás, a gyenge Ferrarival Alonsónak csak felvillanásokra futotta, a szezonzárón még a pontverseny harmadik helyét is elveszítette.
