Kovalainen blev efter sina framgångar i GP2, testförare för formel 1-stalletRenault. Han ersatte sedan Fernando Alonso som förare i stallet 2007. Kovalainen tog sin första VM-poäng i sitt andra lopp i Malaysia 2007 och han tog sin första pallplats i Japan 2007, där han kom tvåa. Kovalainen ersatte Alonso igen då han körde för McLaren säsongen 2008.
Kovalainen kraschade i Spanien 2008 in i en däckmur i cirka 240 km/h men klarade sig undan med lättare skador i huvudet och ena armbågen. Olyckan berodde på att vänster framhjul gick sönder och punkterade däcket. Han tog sedan karriärens första F1-seger i Ungern 2008.