Hill aloitti ajamisen täysipäiväisesti Ferrarin Formula 1 -joukkueessa vuonna 1959, saadessaan kolme podiumia ja neljännen sijan kuljettajien mestaruudessa. Vuonna 1960 hän voitti Italian Grand Prix'n.
Monzassa oli ensimmäinen amerikkalaisen kuljettajan Grand Prix -voitto lähes neljäänkymmenen vuoteen (lukuun ottamatta Indianapolis 500 -kilpailua, joka oli kerran osa Grand Prix World Championship -sarjaa), kun Jimmy Murphy voitti vuoden 1921 Ranskan Grand Prix -kilpailun. Tämä osoittautui myös viimeiseksi voitoksi etumoottorisella autolla Formula 1:ssä. Seuraavana kaudella Hill voitti Belgian Grand Prix -kilpailun, ja kun kaksi kilpailua oli jäljellä, hänen Ferrarin tiimikaverinsa Wolfgang von Trips oli kauden rankingissa jäljessä. Italian Grand Prix -kilpailussa kuoli von Trips ja neljätoista katsojaa. Hill voitti kisan ja sai mestaruuden, - mutta voitto oli karvaisen suloinen. Ferrarin päätös olla matkustamatta Amerikkaan kauden viimeiseen kierrokseen riisti Hilliltä mahdollisuuden osallistua kotiotteluun Watkins Glenissä uuden maailmanmestarin kruunauksena. Kun hän palasi seuraavana kaudella, viimeisenä Ferrarilla, Hill sanoi: "Minulla ei enää ole yhtä paljon tarvetta kilpailla, voittaa. Minulla ei ole enää niin paljon nälkä. En halua enää ottaa itsemurhaa".