Debutó en Fórmula 1 con Toro Rosso al año siguiente, donde se mantuvo hasta 2017, temporada en la que firmó con el equipo Renault.
comenzó su carrera en el karting en el año 2006 guiado por su padre Carlos Sainz y la pasión que despertó desde pequeño por las carreras al ir a los circuitos, los resultados no tardaron en llegar, quedando en tercera posición del Torneo Industrie de Minikarts.
Terminó segundo en el campeonato con 200 puntos, obteniendo como resultados más destacados dos victorias y un total de diez podios en catorce carreras.
[17] Debutó en la F3 Euroseries en la temporada 2011 como piloto invitado con el equipo Signature para la última ronda en Hockenheim, donde obtuvo un quinto puesto y dos abandonos.
[18] Sainz firmó con MW Arden en el 2013 para una temporada en la GP3 Series,[19] sin embargo no corrió con mucha suerte y tras solo dos podios, terminó en la décima posición del campeonato.
sería piloto oficial en la temporada 2015 de Fórmula 1, junto al neerlandés Max Verstappen.
Sin embargo, tras regresar de las vacaciones, las prestaciones del monoplaza bajan y el español solo pudo puntuar en 2 carreras (Austin e Interlagos).
A pesar de esto, Carlos mejoraría en relación con la temporada pasada, terminando en el campeonato en la posición 12.º con 46 puntos.
Finalizó 9.º esa temporada, quedando delante de todos los pilotos con los que compartió equipo.
Logró su primer podio en Fórmula 1 en el GP de Brasil 2019 acabando en 3.ª posición tras salir último.
Asimismo, Sainz es el piloto que más Grandes Premios ha necesitado en toda la historia de la Fórmula 1 para lograr su primer podio: 101.
En la carrera, ambos McLaren subieron al 2.º y 3.º puesto en la primera vuelta, sin embargo, una bandera roja favoreció a otros pilotos.
[53] Tras una primera parte complicada de la temporada, Sainz tuvo más suerte en las siguientes carreras.
En Nürburgring, aun teniendo poco ritmo, adelantó varias posiciones tras los problemas en otros monoplazas de pilotos que estaban por delante y quedó 5.º.
[54] En Portimão, adelantó 6 puestos en la salida y se colocó 1.º durante unas vueltas demostrando su manejo del coche en condiciones extremas, hasta que los neumáticos de los monoplazas más rápidos consiguieron temperatura, quedó 6.º.
Con los puntos obtenidos durante la temporada, sumados a los conseguidos por su compañero Lando Norris, propulsaron al equipo McLaren a la 3.ª posición del campeonato de constructores, siendo la mejor posición del equipo desde el año 2012.
Leclerc hizo la pole tras una bandera roja que él mismo provocó, pero no pudo salir por los daños sufridos en la propia clasificación.
Sainz salió tercero y acabó segundo tras la retirada del Mercedes de Bottas, acompañado en el podio por Max Verstappen, compañero en Toro Rosso en 2015, parte de 2016, y Lando Norris, compañero en McLaren.
Gracias a esto mantuvo posición de podio y finalmente terminó tercero.
[79] Logra en São Paulo, su último podio en la temporada, finalizando tercero detrás de las Mercedes.
[80] En Bélgica, luego de cosechar 5 puntos en la carrera sprint, sufre un choque con Oscar Piastri en la primera curva, y por daños en la carrocería se ve obligado a abandonar en la vuelta 23.
En Monza, para sorpresa de la afición italiana, logra arrebatarle la pole position a Max Verstappen por 0.013 segundos.
Pese a esto, en las últimas vueltas, se vio acechado por un pelotón conformado por Lando Norris y los pilotos de Mercedes.
[85] Llegada la última ronda del año, en Abu Dabi, Sainz peleaba la cuarta posición en el campeonato de pilotos con Norris, Alonso y Leclerc.
En clasificación, por primera vez en el año, no paso de Q3, quedando relegado al decimosexto puesto.
En carrera, el equipo implemento una estrategia con neumáticos duros, que no funcionó, terminando en decimoctava posición.
[88] En carrera, estuvieron detrás de los Red Bull, logrando Sainz su primer podio en el año, acabando tercero.
En Arabia Saudita, horas antes de la tercera sesión entrenamientos libres, se retira para ser operado por apendicitis, perdiéndose el resto del fin de semana y siendo reemplazado por el debutante Oliver Bearman.
[89] La operación resultó exitosa, y tras dos semanas, aseguró "estar preparado" para el Gran Premio de Australia.
[90] Pese a sentir ciertas dificultades aun, lidera Q1 y Q2 en clasificación, terminando en un inesperado segundo lugar detrás de Max Verstappen.