2002年，阿隆索被雷诺挖走，成为试车手，赛季末由于简森-巴顿转会英美，阿隆索成为雷诺车队的正式车手，成为围场中的一位颇具实力的年轻车手。

2003年，在离开F1赛场一年后，阿隆索以雷诺车手的身份参加比赛。3月4日在澳大利亚进行的揭幕战中，获得第七名，收获了2个积分，这也是他F1职业生涯中第一次获得积分；3月18日的马来西亚站，在雪邦赛道获得个人首个杆位，并最终以第三名的成绩第一次登上领奖台；8月19日的匈牙利大奖赛，阿隆索再次获得杆位，并最终把握住了机会，赢得了个人首个分站赛冠军，赛季结束名列年度第六。

2004年，阿隆索分别在澳大利亚、法国、德国和匈牙利大奖赛站上领奖台，其中他在法国大奖赛上夺得杆位，并在正赛中获得亚军。该赛季阿隆索获得车手总成绩第四名。

2005年3月，凭借赛车的稳定性，阿隆索在赛季之初连续抢冠成功，夺得马来西亚站、巴林站以及圣马利奥站的分站赛三连冠，早早就确立了自己在车手积分榜上的领先优势。最终依靠稳定的发挥，提前两站成为年度总冠军。2006年，阿隆索全年拿下6个杆位，7个分站冠军，总分134分，力克法拉利车手迈克尔·舒马赫，成功卫冕车手总冠军。

2007年，阿隆索转会迈凯轮车队，与刘易斯·汉密尔顿搭档。该赛季迎接阿隆索的不仅是来自法拉利双雄莱科宁、马萨的挑战，菜鸟队友汉密尔顿也在比赛中咄咄逼人，屡次挑战阿隆索一号车手的地位，最终，2007年的迈凯伦车队彻底演变成两位车手的内斗，而内斗也逐步损耗了迈凯伦车队的精力，在最后一轮巴西大奖赛中，手握巨大领先优势的汉密尔顿在比赛中按键失误，仅以第7名完赛，阿隆索也被两台法拉利挡在身后，以第3名完赛，这也成就了法拉利车手莱科宁以1分优势力压阿隆索登顶车手总冠军，阿隆索则以1个积分错失三连冠伟业。

2008年，阿隆索重回雷诺车队，与小尼尔森·皮奎特搭档。然而此时的雷诺赛车已经不具争冠实力，尽管如此，头哥仍旧斩获两场分站冠军，其中在新加坡大奖赛收获F1历史首场夜场冠军，但却因雷诺车队“撞车门”事件蒙上阴影。当赛季，阿隆索最终以61分位居车手排名第5位。紧随其后的2009赛季，雷诺赛车竞争力持续下降，阿隆索最终积26分排名年度第9位。

2010年，阿隆索转会法拉利，再度成为总冠军的有力争夺者。同年，迈克尔-舒马赫选择复出，代表梅赛德斯GP车队重回围场。阿隆索在揭幕战巴林大奖赛就收获冠军，当赛季，阿隆索5夺分站冠军，并以积分领跑者的优势踏入赛季最后一站阿布扎比大奖赛的赛场。然而，由于法拉利车队策略保守，阿隆索被雷诺车手佩特洛夫挡在身后40多圈无法超越，最终仅获第7名，红牛车手维特尔在收获分站冠军的同时，也成为当时最年轻的F1世界冠军，阿隆索以4分之差再度与车手总冠军擦肩而过。

2011赛季，阿隆索表现稳定，在英国站摘得分站冠军，并且全年10次登上领奖台，最终位列车手积分第4。2012赛季，尽管这一年的法拉利赛车实力相比红牛赛车仍有差距，但阿隆索却在该赛季再次迎来生涯巅峰。尽管全年只有3个分站赛冠军，但阿隆索却在群雄逐鹿的态势下在赛季前半段一度建立起43分的领先优势。但在下半赛季，随着法拉利竞争力的下降，阿隆索也陷入低谷。在收官战巴西大奖赛阿隆索尽管收获亚军，但仍旧落后维特尔3个积分，再度错失年度总冠军。

2013赛季，阿隆索在开局阶段表现抢眼，接连在中国和西班牙站斩获分站冠军，但这一年的红牛赛车势不可挡，维特尔在赛季中段开始连续9场比赛斩获分站冠军，也无可争议地收获年度总冠军，阿隆索以242分，第三次收获年度总亚军。

时隔一年后，法拉利在2014赛季全线滑坡，头哥在当年仅仅收获两站领奖台，最终仅排名年度第6位。赛季结束后，阿隆索选择离开法拉利。

重回迈凯伦车队

阿隆索为了寻求夺冠的机会，于2015年重返迈凯伦车队，尽管迈凯伦车队在2014年经历了无分站赛冠军的尴尬。然而，阿隆索的回归并未带来预期的转变，相反，2015年成了他职业生涯中最艰难的一年。他在8场比赛中都未能完赛，只有两次进入前十，最好成绩仅是第五名。受迈凯伦-本田赛车性能不足影响，阿隆索在车手榜上仅排第17，而迈凯伦在10支车队中也只排到第九。面对赛车性能的问题，阿隆索倍感沮丧，甚至公开对车队提出了批评。

2016赛季，阿隆索在揭幕战澳大利亚站就遭遇事故，整个赛季迈凯伦-本田赛车的性能仍然未有改善。尽管阿隆索在意大利站跑出了最快圈速，但他的分站赛最好成绩仍然只是第五名，整个赛季仅获得54分，位列第十。

2017年，阿隆索的运气并未好转，前四站全部退赛，整个赛季退赛次数高达11次，仅在5站比赛中获得积分。迈凯伦-本田车队的成绩也跌至所有车队的倒数第二，阿隆索在车手榜仅排名第15。尽管如此，阿隆索在赛车界的贡献得到了认可，他于2017年12月4日入选了国际汽联名人堂。

2017赛季后，迈凯伦决定结束与本田的合作，2018年转投雷诺引擎。这一改变为阿隆索带来了新的希望，尽管赛车性能还是不尽如人意，但他的成绩已经提升至第11名。然而，在2018年11月27日的赛季最后一站后，阿隆索宣布从F1退役。

告别F1赛场后，阿隆索转战达喀尔拉力赛、世界汽车耐力锦标赛、印地500大赛等汽车赛事。2018年和2019年，阿隆索展现出了他的非凡耐力，连续两年摘得世界耐力锦标赛勒芒24小时耐力赛的桂冠。2019年1月，他更是将戴通纳24小时耐力赛的冠军也收入囊中。然而在同年的5月，阿隆索在印地500大赛排位赛中的表现却不尽如人意。在激烈的六进三选拔中，他遗憾落败，未能获得参与正赛的资格。

2020年1月，阿隆索首次参加达喀尔拉力赛，最终以47小时42分04秒的成绩位列汽车组第13位。同年8月，阿隆索再次参加印地500大赛并首次完赛，名列第21位。

三度加盟雷诺

2020年，阿隆索宣布重返雷诺F1车队。

2021年3月29日，2021赛季F1揭幕战巴林站，阿尔派车队阿隆索因刹车问题退赛。11月，在F1卡塔尔大奖赛中，阿隆索获得季军。这是他回归F1后首次登上领奖台，也是他自2014年后的首个领奖台。

2022年4月，2022F1澳大利亚大奖赛一练成绩出炉，阿隆索获得第九名。5月8日，在2022年F1迈阿密大奖赛第三次练习赛中，阿隆索位列第四。5月9日，在F1迈阿密大奖赛正赛上，阿隆索获得第十一名。5月，2022年F1摩纳哥大奖赛排位赛在蒙特卡洛赛道结束，阿隆索位列第七位。F1摩纳哥大奖赛正赛，阿隆索以第7名的成绩完赛。 6月11日，2022年F1阿塞拜疆大奖赛排位赛在巴库赛道结束，阿隆索列第十位。6月12日，在F1阿塞拜疆大奖赛正式比赛中，阿隆索获得第七名。6月19日，F1加拿大站排位赛鸣金收兵，阿隆索排名第二位。6月20日，F1加拿大站正赛，第七名冲过终点的阿隆索被罚时5秒、排名退至第9。7月，2022赛季F1锦标赛在英国著名的银石赛道迎来赛季第10站的争夺，Q3停表之后，阿隆索冲到第5，最后获得第7名。正赛，阿隆索获得第五名。同月，F1奥地利大奖赛排位赛，阿隆索排名第9。同月，2022年F1法国大奖赛排位赛，阿隆索排名第7。正赛，阿隆索以第六名的成绩完赛。7月30日，F1匈牙利大奖赛排位赛，阿隆索获得第六名。8月1日消息，F1阿斯顿·马丁车队官方宣布，阿隆索将在2023赛季加入车队，双方签下了一份为期多年的合同。同月，F1比利时大奖赛正赛，阿隆索排名第5。9月，2022年F1意大利大奖赛排位赛在蒙扎赛道结束，阿隆索位列第十。10月，在2022年F1美国大奖赛正赛中，阿隆索以第七名的成绩完赛。11月，在F1圣保罗大奖赛正赛中，阿隆索以第5名的成绩完赛。同月，阿隆索退出阿布扎比大奖赛。

阿斯顿马丁车队

2023年3月5日，2023赛季世界一级方程式锦标赛巴林大奖赛排位赛中，阿隆索排名第五。3月6日，2023赛季世界一级方程式锦标赛巴林大奖赛正赛，阿隆索取得季军，代表阿斯顿·马丁车队的首场比赛就登上了领奖台，这也是他生涯第99个F1领奖台。2023年3月5日，2023赛季世界一级方程式锦标赛沙特大奖赛排位赛中，阿隆索排名第三，因勒克莱尔罚退发车，阿隆索头排发车。3月20日凌晨，2023年F1第二场大奖赛沙特站落幕，阿隆索经历罚时、加罚、申诉成功后，季军之席失而复得，这也是41岁的他第100次登上F1大奖赛领奖台。4月2日，2023赛季F1澳大利亚大奖赛正赛中，阿隆索获得季军。5月，在2023年F1迈阿密大奖赛排位赛，阿斯顿马丁车队阿隆索第二。5月8日，2023赛季F1迈阿密大奖赛正赛，阿隆索获得季军。5月28日，F1摩纳哥大奖赛正赛，阿隆索收获亚军。6月，在2023年F1加拿大大奖赛正式比赛，阿隆索获得亚军。8月27日，2023赛季F1荷兰大奖赛，阿隆索获得亚军。11月5日，在巴西圣保罗因特拉格斯赛道举行的2023世界一级方程式赛车（F1）巴西大奖赛中，阿隆索获得季军。

2024年4月，费尔南多·阿隆索与车队完成续约，在阿斯顿马丁车队效力至2026年。4月21日，2024赛季F1中国大奖赛中，费尔南多-阿隆索获得第七名。

阿隆索的父亲路易斯·阿隆索从事采矿业，负责爆破，母亲则在老家奥维耶多的一家百货公司工作，他还有一个姐姐洛伦娜。

2006年11月，阿隆索与与西班牙当红乐队“墨菲奥之梦”的主唱拉琪尔·德尔罗萨里奥结婚。2011年12月，阿隆索宣布和拉琪尔·德尔罗萨里奥离婚。

2012年，阿隆索与俄罗斯模特达莎·卡普斯蒂娜开始了一段恋情，但遗憾的是，两人在2014年12月选择了分手。同年12月，记者劳拉·阿尔瓦雷斯成为了阿隆索的新女友，然而他们的关系也在2016年3月走到了尽头。随后，阿隆索与奥地利记者兼电视节目主持人安德里亚·施拉格走到了一起。然而，就在2023年4月，阿隆索在社交媒体上公开确认，他与安德里亚·施拉格也已经结束了恋爱关系。

2017年9月，阿隆索荣获西班牙足球俱乐部皇家马德里的荣誉会员称号。在颁奖仪式上，皇马主席佛罗伦蒂诺亲自为他颁发了“皇马荣誉会员”的证书。阿隆索在接受荣誉时透露，他的父亲是皇马的忠实球迷，同时也曾是一名足球运动员，专守门将位置，这份荣誉对他而言意义非凡。

阿隆索是真正的传奇，能与他同时代比赛何其荣幸。F1这项运动将会想念他，我们也会想念他。（F1车手汉密尔顿评）

就赛车天赋来说，我觉得舒马赫和他（阿隆索）处于同一水平。阿隆索理解比赛的能力超强，驾驶速度也极快。（前F1车手马萨评）

在2008年的新加坡大奖赛上，雷诺下令旗下车手小尼尔森-皮奎特在比赛进行到第14圈时在17号弯故意撞车，引发安全车出动，帮助阿隆索赢得了该站比赛的冠军。事后，小皮奎特主动向国际汽联揭露了此事件。经过调查，国际汽联世界汽车运动理事会决定对雷诺F1车队实施永久禁赛，但给予两年的缓刑期。同时，前车队领队布里亚托利被永远禁止参与F1，并被禁止从事任何与F1相关的事务。另外，前工程总监帕特·西蒙兹在接下来的五年内将无法在国际汽联主办的任何赛事中工作。国际汽联也向费尔南多·阿隆索在听证会上所展现的合作态度表达了感谢，并正式宣布他与该案件无任何牵连。