Nel 2002 passa in Renault, col ruolo di tester, un modo per sgrossare il giovane che nel 2003 sarebbe diventato il titolare del team guidato da Flavio Briatore. La R23 viene ricordata in particolar modo per aver permesso a Fernando di uscire dall’anonimato, di essersi fatto conoscere nel Circus e dagli appassionati. Creata dalle menti di Mike Gascoyne, Tim Densham e Bob Bell, in questa stagione Fernando ottenne la prima vittoria in Formula 1, al Gran Premio d’Ungheria, il 24 agosto, quando riuscì perfino a doppiare la Ferrari di Michael Schumacher. Dopo un 2003 vissuto alla grande, dove oltre alla prima vittoria si porta a casa anche la prima pole position della carriera, nel 2004, soffre maggiormente rispetto a Jarno Trulli, prima della sostituzione negli ultimi tre GP da Jacques Villeneuve, che in più di un’occasione riesce a mettergli le gomme davanti. La R24 è una vettura molto competitiva. L’italiano vince a Monaco dopo essere partito dalla pole position e ottiene un terzo posto in Spagna, oltre a un’altra pole position in Belgio; lo spagnolo ottiene un secondo posto in Francia dopo essere partito dalla pole position e tre terzi posti in Australia, Germania e Ungheria.
«Affidabile e veloce» sono le parole attraverso le quali Alonso ha definito la Renault R25 del 2005, quella del suo primo mondiale. La vettura, che montava uno degli ultimi V10 degli griglia di partenza, portò a casa ben 7 vittorie, 15 podi e 6 pole position che in Brasile consegnarono a Fernando il primo titolo iridato della carriera mentre alla Renault finì il campionato costruttori.
La stagione successiva, sembrava che a Enstone non fosse cambiato nulla. Il numero 1 scintillava sulla carrozzeria azzurro-gialla e Alonso e la Renault, come nel 2005, andarono a prendersi ancora una volta i titoli piloti e costruttori. L’asturiano raggiungeva gente come Mika Hakkinen, Emerson Fittipaldi o Graham Hill nelle classifiche di tutti i tempi e, lasciava il team anglo-francese e l’amico e scopritore Flavio Briatore per avviarsi verso una nuova avventura, in McLaren, alle dipendenze di Ron Dennis.