Hill comezou a pilotar a tempo completo para o equipo Ferrari de Fórmula Un en 1959, gañando tres podios e cuarto lugar no Campionato de Pilotos. En 1960 gañou o Gran Premio de Italia.
en Monza, a primeira vitoria nun Gran Premio para un piloto estadounidense en case corenta anos (excepto as 500 Millas de Indianápolis, unha vez parte da serie de Grandes Premios do Campionato do Mundo), desde que Jimmy Murphy gañou o Gran Premio de Francia de 1921. Esta tamén resultou ser a última vitoria para un coche de motor dianteiro na Fórmula 1. Na tempada seguinte, Hill gañou o Gran Premio de Bélxica e con dúas carreiras restantes só estaba por detrás do seu compañeiro de equipo de Ferrari, Wolfgang von Trips, na clasificación da tempada. Un accidente durante o Gran Premio de Italia matou a von Trips e catorce espectadores. Hill gañou a carreira e asegurou o campionato pero o triunfo foi agridulce. A decisión de Ferrari de non viaxar a Estados Unidos para a última rolda da tempada privou a Hill da oportunidade de participar na súa carreira en casa en Watkins Glen como o recentemente coroado campión do mundo. Cando volveu para a tempada seguinte, a súa última con Ferrari, Hill dixo: "Xa non teño tanta necesidade de competir, de gañar. Xa non teño tanta fame. Xa non estou disposto a arriscarme a matarme".