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 136 points marqués en 77 courses dont 29 dans les points ; 2 podiums, 1 meilleur tour). Ce record a été à son tour battu en mars 2015 par le jeune pilote néerlandais Max Verstappen . 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 . En septembre 2017, il est remplacé chez Toro Rosso par le jeune Français Pierre Gasly avant de redevenir titulaire dans cette écurie en 2019.