Bien qu'il soit issu d'un milieu relativement modeste, Fernando est initié dès le plus jeune âge aux joies du karting, grâce à son père, passionné de sport automobile. Preuve de ses facilités volant en main, il remporte quatre fois le championnat d'Espagne de karting en catégorie junior, en 1993, (il a alors 12 ans), en 1994, 1995 et 1996. En 1996, il remporte également la Coupe du Monde Junior. Il gagne les championnats Inter-A d'Espagne et d'Italie en 1997. Il est sacré vice-champion d'Europe Inter-A en 1998. En 1999, Fernando Alonso accède à la monoplace dans le championnat de Formule Nissan (officiellement dénommé Euro Open MoviStar by Nissan), une série en cours d'internationalisation, mais encore essentiellement centrée sur l'Espagne. Alonso pilote alors pour l'écurie de l'ancien pilote de Formule 1 espagnol (vu chez Minardi) Adrian Campos ; qui deviendra son manager. Pour sa toute première saison en monoplace, Fernando Alonso se montre dominateur et remporte facilement le titre. Cela lui vaut de décrocher en fin d'année un premier test en Formule 1, sur une Minardi. Malgré des conditions météorologiques piégeuses, Alonso se montre d'entrée de jeu très à l'aise et fait forte impression. En 2000, Alonso accède au championnat international de Formule 3000, au sein de l'écurie Astromega. Dans une discipline où les essais privés sont très limités, l'inexpérience du jeune Espagnol ne lui permet pas de jouer le titre. Mais au fil de la saison, il multiplie les coups d'éclat, comme à Barcelone, où il fait le spectacle dans le cœur du peloton, où comme sur le sélectif tracé de Spa-Francorchamps, où il décroche une nette victoire. Les prestations d'Alonso en F3000 n'échappent pas à Flavio Briatore (alors directeur sportif de l'écurie Benetton, récemment rachetée par Renault), qui s'empresse de le prendre sous son aile en lui faisant signer un contrat de management à long terme. Trop jeune et inexpérimenté pour être intégré dès 2001 à l'écurie Benetton-Renault, Alonso est « placé » par Briatore dans la petite équipe Minardi. Il est le troisième plus jeune pilote de l'histoire à débuter en Formule 1 lorsqu'il effectue ses débuts avec Minardi au Grand Prix d'Australie 2001. Si le manque de compétitivité des monoplaces italiennes condamne Alonso à se battre en fond de grille, il n'en réalise pas moins de belles performances compte tenu du matériel dont il dispose. Sa saison est ainsi un succès d'estime, qui confirme sa réputation de champion en devenir. Pour 2002, Briatore estime toutefois qu'une deuxième saison en fond de grille ne serait pas très formatrice, et il préfère retirer Alonso des grilles de départ pour faire de lui le pilote-essayeur de Renault, dans l'ombre des titulaires Jarno Trulli et Jenson Button. À noter qu'au printemps 2002, Renault accepte que Alonso réalise également un test pour le compte de l'écurie britannique Jaguar Racing (où il réalise de meilleurs chronos que les pilotes d'essais habituels de Jaguar que sont James Courtney et André Lotterer). Pour les ingénieurs de Renault, le travail d'Alonso pour la mise au point d'une monoplace est tel qu'en juillet 2002, son écurie annonce à compter de la saison 2003 sa titularisation en remplacement de Jenson Button.

Dès le début de la saison 2003, Fernando Alonso se montre au niveau (si ce n'est plus) de son coéquipier Jarno Trulli, ce qui permet de l'étalonner d'emblée comme l'un des pilotes les plus rapides du plateau. Au GP de Malaisie, deuxième manche de la saison, il monte sur son premier podium après avoir décroché la pole-position (devenant ainsi le plus jeune poleman de l'histoire de la F1 devant Rubens Barrichello). Puis, en Hongrie, il remporte son premier GP et bat le record de précocité de Bruce McLaren qui datait de 1959. Il termine la saison à la sixième place du classement général, avec 55 points. Très attendu en 2004, et cela d'autant plus que les Renault ne cessent de progresser dans la hiérarchie, Alonso déçoit un peu et semble plafonner, comme le prouvent ses performances inférieures à celles de Jarno Trulli sur la première partie de saison (c'est d'ailleurs le pilote italien qui remporte à Monaco la seule victoire de l'année d'une Renault). Mais sur la seconde moitié de saison, tandis que les performances des Renault sont en chute libre et que Jarno Trulli perd pied (ce qui lui vaudra d'être limogé et remplacé par Jacques Villeneuve pour les dernières manches), Alonso multiplie les solides prestations et s'assure une belle quatrième place au classement final. En 2005, sur la lancée d'une fructueuse campagne d'essais hivernaux, Alonso et Renault s'annoncent comme de crédibles candidats au titre mondial. Grâce à un début de saison presque parfait (au cours duquel il enchaîne les victoires et prend en interne un net ascendant sur son équipier Giancarlo Fisichella), Alonso peut gérer sa deuxième partie de saison, et contrôler le retour de Kimi Räikkönen, son principal concurrent au volant de la véloce McLaren-Mercedes. Au Brésil, antépénultième manche de la saison, il décroche ainsi le titre mondial, devenant à 24 ans le plus jeune champion du monde de l'histoire de la Formule 1 (le record précédent appartenait à Emerson Fittipaldi). Cette année là, la Renault était nettement en-dessous en termes de performances de sa rivale Mc-laren. Il est clair que la Renault était plus fiable, mais Alonso restait le plus souvent dans les échappements de Raikkonen et ne gagnait que par une défaillance mécanique, le plus cinglant exemple se situe au Nurburgring où Kimi mena toute la course, avec une très large avance mais abandonna dans le dernier tour. Alonso ne doit son titre qu'aux performances de la Renault en début de saison et s'est contenté de gérer son avance, certains ont parlé de "titre acquis après 3 courses" ou de "titre de la fiabilité et du pseudo-pilotage". Toujours chez Renault en 2006, Alonso fait honneur à son titre de champion du monde en prenant facilement la tête du championnat du monde, avec 6 victoires lors de la première moitié de saison. Il montre en cela que l'annonce prématurée (décembre 2005) de sa future arrivée chez McLaren pour la saison 2007 ne perturbe pas sa collaboration avec Renault. Mais le retour en forme de la Scuderia Ferrari et de Michael Schumacher annonce une fin de championnat serrée. En finissant 2ème du dernier Grand-Prix, il assure néanmoins son 2e titre mondial en Formule 1 devant Michael Schumacher.

Comme cela avait été annoncé dès la fin de la saison 2005, Fernando Alonso, muni de son N°1 et de ses deux titres de champion du monde, a rejoint l'écurie McLaren, pour disputer le championnat 2007 au volant des « flèches d'argent » de Ron Dennis. Il s'agit pour le jeune prodige espagnol d'un véritable défi, dans la mesure où l'écurie anglo-allemande n'a rien gagné au cours de la saison 2006, à cause du manque de compétitivité et des problèmes de fiabilité rencontrés par la MP4-21, qui ont découragé le Colombien Juan Pablo Montoya, parti se ressourcer en NASCAR et le Finlandais Kimi Räikkönen, qui a trouvé refuge dans le baquet encore chaud de Michael Schumacher chez Ferrari. Dans un entretien au quotidien anglais Daily Mail publié le 19 février 2007 Fernando explique les raisons qui l'ont poussé à rejoindre McLaren : « C'est un rêve d'enfant. Quand j'étais petit, mes héros étaient Alain Prost et Ayrton Senna et je les voyais piloter des McLaren. Je jouais également avec des petites voitures McLaren. Alors, devenir pilote pour cette écurie est un rêve qui devient réalité. » Cette explication « sentimentale » ne lui semblant peut être suffisamment sérieuse, notamment vis-à-vis de son ancienne équipe, le double champion du monde a pris soin d'ajouter : « J'avais besoin d'un défi, j'avais besoin de motivation, dans ma carrière et dans ma vie. Je commençais à me lasser. J'avais tout vu et tout connu avec Renault. Je savais comment la voiture marchait, je connaissais mon job et je connaissais les gens qui travaillaient avec moi. J'avais l'impression de faire les mêmes choses encore et encore. C'était comme manger le même plat de paëlla tous les soirs. Je me sentais vieux à 25 ans. J'avais envie de me sentir jeune à nouveau. » Il s'agit donc bel et bien d'un véritable défi que s'est lancé Fernando Alonso, défi qui n'est pas sans rappeler celui de Michael Schumacher, quittant à la fin de la saison 1995 l'écurie Benetton avec laquelle il venait d'obtenir, lui aussi, deux titres de champion du monde, pour rejoindre une Scuderia Ferrari qui n'avait plus de résultats depuis fort longtemps. Étrange parallèle entre les démarches de ces deux multiples champions. Alonso sera-t-il capable de fédérer les énergies pour refaire de McLaren une écurie gagnante, comme a su le faire le pilote allemand chez Ferrari, avec le succès que l'on sait ? 2007 apportera un début de réponse. Les flèches d'argent ont retrouvé leur superbe. De la vitesse certes, mais également une fiabilité qui faisait défaut à l'équipe depuis des années. Dès la deuxième course de la saison, Fernando remporte le GP de Malaisie devant son coéquipier Lewis Hamilton malgré les Ferrari qui partaient favorites, après l'exploit de Kimi Räikkönen à Melbourne. C'est le premier doublé de l'écurie McLaren depuis 2005, il y en aura deux autre, à Monaco et à Monza dans le fief de Ferrari, et l'Espagnol vainqueur reprendra la tête du championnat grâce à sa 2e victoire en Principauté, devant son coéquipier Lewis Hamilton qui malgré son jeune âge ne s'en laissera pas compter et la reprendra dans les courses à venir et creusera même un écart qui culminera à 14 points après le Grand Prix de France. La réaction ne tardera pas, et deux courses plus tard, avec entre-autres une 3e victoire au Nürburgring en poche grâce à son adresse sous la pluie, l'Espagnol était revenu à deux points de son équipier. Les succès de son jeune coéquipier Lewis Hamilton — trois victoires, dix podiums et leader du championnat après onze courses — ont placé Fernando Alonso dans une position inconfortable au sein de l'écurie. La tension, qui était palpable entre les deux pilotes McLaren depuis quelque temps, s'est transformée en véritable guerre ouverte à l'occasion du GP de Hongrie. Lors des qualifications, alors qu'il allait quitter les stands pour s’élancer pour son dernier tour, le double champion du monde retardait volontairement son départ de quelques secondes afin de bloquer son propre coéquipier. La FIA jugea ce comportement antisportif et ne manqua pas de sanctionner Alonso en rétrogradant le pilote espagnol, qui avait pourtant réalisé le meilleur temps, en sixième position sur la grille de départ. Hamilton, dans un entretien à la BBC feignit de s'étonner de l'attitude de son coéquipier à son égard : « Il ne me parle plus, il m'ignore. J’ai bon espoir qu’il me reparle et je ne lui en tiens pas rigueur. C’est lui qui décide, mais s’il veut me parler je suis ouvert. » Quant au patron de l’écurie britannique, Ron Dennis, qui eut autrefois à gérer les relations très conflictuelles entre Alain Prost et Ayrton Senna, il reconnait, également au micro de la BBC, que ce conflit est difficile à gérer : « C'est une période difficile ... Il y a beaucoup de tension entre les deux pilotes. Ils sont jeunes, ont une incroyable soif de gagner et mènent le championnat. » Cette situation ne paraissant pas devoir s'améliorer d'ici la fin de la saison, Alonso semble envisager de quitter McLaren pour la prochaine saison. À la question « Resterez-vous chez McLaren la saison prochaine ? », il répondit laconiquement : « on verra ! », une réponse pleine d'amertume qui traduit son exaspération devant cette concurrence qu'il n'attendait pas aussi rude. Ron Dennis a cependant déclaré que si Fernando voulait partir il pourrait le faire malgré le contrat qui les lie pour les 5 années à venir. Lors du Grand Prix du Japon, disputé sur le circuit du Mont Fuji sous une pluie battante, Fernando compromet sérieusement ses chances de remporter un troisième titre mondial consécutif. Il est, pour la première fois de la saison, contraint à l'abandon — suite à un accident — et voit son coéquipier et rival Lewis Hamilton remporter sa quatrième victoire de la saison et prendre le large au classement du championnat du monde. À deux courses de la fin, Fernando compte 12 points de retard sur Hamilton.