Hill začal jazdiť na plný úväzok pre tím Ferrari Formula One v roku 1959, získal tri pódium a štvrté miesto v šampionáte vodičov. V roku 1960 vyhral taliansku Grand Prix.
v Monze, prvé Grand Prix víťazstvo pre amerického jazdca za takmer štyridsať rokov (okrem Indianapolis 500, kedysi súčasťou série Grand Prix World Championship), odkedy Jimmy Murphy vyhral Grand Prix Francúzska v roku 1921. Ukázalo sa, že to bolo aj posledné víťazstvo auta s predným motorom vo Formule 1. Nasledujúcu sezónu Hill vyhral Belgickú Grand Prix a s dvoma pretekom zostávajúcimi za ním v sezóne sledoval iba jeho spoluhráča z Ferrari Wolfganga von Trips. Pri havárii počas talianskej Grand Prix zahynul von Trips a štrnásť divákov. Hill vyhral preteky a získal titul šampióna, ale víťazstvo bolo sladko-horšie. Rozhodnutie Ferrariho neísť do Ameriky na posledné kolo sezóny pozbavilo Hilla príležitosti zúčastniť sa domáceho preteku v Watkins Glen ako novokorunovaného majstra sveta. Keď sa vrátil na nasledujúcu sezónu, svoju poslednú s Ferrari, Hill povedal: "Už nemám takú potrebu pretekať, vyhrať. Už nemám taký hlad. Už nie som ochotná riskovať samovraždu".