Il a débuté en F1 en 2014 à côté de Jean-Eric Vergne au sein de l'écurie Toro Rosso. Il est le second pilote russe en F1 après Vitaly Petrov (58 Grands Prix disputés entre 2010 et 2012). En terminant 9eme de son premier Grand Prix, en Australie, il a battu l'un des des records de précocité qui appartenait à Sebastian Vettel (Red Bull) : à 19 ans et 324 jours, il est devenu le plus jeune pilote à avoir marqué un point (au total 132 points marqués en 71 courses dont 26 dans les points). Ce record a été à son tour battu en mars 2015 par le jeune pilote néerlandais Max Verstappen . Il a obtenu deux podiums, au GP de Hongrie en 2015 où il termina 2eme puis au GP de Chine en 2016 avec une 3eme place. Vainqueur du championnat GP3 Series en 2013. En 2015, il a remplacé Sebastian Vettel chez Red Bull puis, en mai 2016, il a dû céder sa place au jeune prodige néerlandais Max Verstappen . Désormais rétrogradé, il est le pilote de l'écurie Toro Rosso. Il a une nouvelle fois été rétrogradé pour des performances insuffisantes en septembre 2017 remplacé par le jeune Français Pierre Gasly.