Hill hóf að keyra í fullum tíma fyrir Ferrari Formula One liðið árið 1959, og vann sér þrjú stig og fjórða sæti í keppni ökumanna. Árið 1960 vann hann ítalska Grand Prix-keppnina
í Monza, fyrsta Grand Prix sigurinn fyrir ameríska ökumann í næstum fjörutíu ár (nema Indianapolis 500, einu sinni hluti af Grand Prix World Championship seríu), síðan Jimmy Murphy vann Franska Grand Prix árið 1921. Þetta reyndist einnig vera síðasta sigur fyrir framhreyfða bíl í Formúlu 1. Á næsta tímabili vann Hill Belgíska Grand Prix og með tvö keppni eftir var aðeins liðsfélagi hans í Ferrari, Wolfgang von Trips, á eftir í keppnistímaflokki. Árekstur á Ítalska keppninni drap von Trips og fjórtán áhorfendur. Hill vann hlaupiđ og vann meistaratitilinn en sigurinn var bitursætur. Ákvörðun Ferrari um að fara ekki til Bandaríkjanna í lokakafla tímabilsins svipti Hill tækifæri til að taka þátt í heimahlaupi sínu í Watkins Glen sem nýkrýndur heimsmeistari. Þegar hann kom aftur á næsta tímabil, hans síðasta með Ferrari, sagði Hill: "Ég hef ekki lengur eins mikla þörf fyrir að keppa, til að vinna. Ég er ekki eins svangur lengur. Ég er ekki lengur til í að hætta á að drepa sjálfa mig".