Hill mulai mengemudi penuh waktu untuk tim Formula Satu Ferrari pada tahun 1959, mendapatkan tiga podium dan tempat keempat di Kejuaraan Pengemudi. Pada tahun 1960 ia memenangkan Grand Prix Italia
di Monza, kemenangan Grand Prix pertama bagi pembalap Amerika dalam hampir empat puluh tahun (kecuali Indianapolis 500, yang pernah menjadi bagian dari seri Grand Prix World Championship), sejak Jimmy Murphy memenangkan Grand Prix Prancis 1921. Ini juga menjadi kemenangan terakhir untuk mobil bermesin depan di Formula 1. Musim berikutnya, Hill memenangkan Grand Prix Belgia dan dengan dua balapan tersisa hanya tertinggal rekan setim Ferrari Wolfgang von Trips di klasemen musim. Kecelakaan selama Grand Prix Italia membunuh von Trips dan empat belas penonton. Hill memenangkan perlombaan dan meraih gelar juara tapi kemenangan itu manis pahit. Keputusan Ferrari untuk tidak melakukan perjalanan ke Amerika untuk putaran terakhir musim ini membuat Hill kehilangan kesempatan untuk berpartisipasi dalam balapan kandangnya di Watkins Glen sebagai Juara Dunia yang baru dinobatkan. Ketika ia kembali untuk musim berikutnya, yang terakhir dengan Ferrari, Hill mengatakan, "Saya tidak lagi memiliki banyak kebutuhan untuk balapan, untuk menang. Aku tidak lapar lagi. Saya tidak mau lagi mengambil risiko bunuh diri".