Pasos hacia la Fórmula 1

En 1999 entró en escena el ex-piloto de Minardi Adrián Campos, que se convertiría en su mánager. Lo ficha como sustituto de Marc Gené en la Fórmula Nissan, en la que Alonso logra 9 poles, 8 vueltas rápidas y 6 victorias que a la postre le otorgaron el campeonato Euro Open Movistar.

De la Fórmula Nissan pasó a la Fórmula 3000 en el equipo Astromega, donde se juntó con pilotos de gran categoría quedando solo por detrás de Bruno Junqueira, ganador de la edición, Nicolas Minassian y Mark Webber. Alonso obtuvo la pole y ganó en la carrera de Bélgica y quedó segundo en la de Hungría, quedando cuarto en la clasificación general en el año de su debut y único en el que estuvo.

Seguidamente pasó a la Fórmula 1 fichado por Renault pero cedido a Minardi como piloto oficial. Con Minardi debutó en el Gran Premio de Australia de 2001, siendo el tercer piloto más joven en hacerlo. Su mejor clasificación con Minardi fue un 10º puesto en el Gran Premio de Alemania. En el Gran Premio de Japón llegó a adelantar al Toyota de Olivier Panis y quedar por delante del Jordan-Honda de Heinz-Harald Frentzen.

En el año 2002, finalizó su cesión a Minardi y fue recuperado por Flavio Briatore como piloto probador de Renault. Al año siguiente, se convirtió en piloto oficial del equipo en detrimento de Jenson Button, que fichó por BAR. Alonso siempre ha dicho que lamenta ese año de probador, ya que fue un año perdido donde hubiera podido competir

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 al colisionar en la vuelta 55 con una rueda del coche de Mark Webber, que había sufrido un accidente anteriormente y había esparcido los restos de su monoplaza por la pista. Sin embargo, este percance no le impidió conseguir un nuevo podio, pues la carrera se dio por finalizada con su accidente, y las posiciones finales fueron establecidas en una vuelta anterior al accidente.

En la siguiente carrera, el Gran Premio de San Marino queda en sexta posición. En el Gran Premio de España ocupa el segundo escalón del podio. Tras esto llega su primera retirada en Renault, cuando en el Gran Premio de Austria rompía el motor cuando marchaba en los puntos tras salir desde boxes. Después de este fiasco logra una quinta posición en Mónaco y dos cuartos puestos consecutivos en las carreras de Canadá (donde consigue también su primera vuelta rápida) y Europa. Después de esta buena racha se producen dos abandonos consecutivos en los Grandes Premios de Francia y el Reino Unido. En el Gran Premio de Alemania queda de nuevo cuarto.

El 24 de agosto del mismo año, en el Gran Premio de Hungría, logró ser el piloto más joven en ganar un Gran Premio, con 22 años. En el Gran Premio de Italia consigue su último punto de la temporada 2003 acabando octavo tras salir último y sufrir un accidente en la salida. En el Gran Premio de los Estados Unidos sufre una avería en el motor. En la última carrera de la temporada, el Gran Premio de Japón, también rompió el motor cuando iba en la segunda plaza. Finalizó la temporada 2003 en la sexta posición del Mundial de Pilotos. Ya entonces Briatore, en una entrevista dejo ver los planes de Renault de ir a más y luchar por el titulo en el 2005. Más tarde veríamos que solo hubo que esperar al 2004.

La temporada 2004 de Fórmula 1 comenzó bien para el piloto asturiano, ya que finalizó 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.