Fils du champion de rallye du même nom, Carlos Sainz commence sa carrière par le karting en 2006. Dès 2008, il se distingue en remportant le championnat KF3 d'Asie-Pacifique et en terminant deuxième du championnat d'Espagne. L'année suivante, il remporte la Monaco Junior Kart Cup, une épreuve prestigieuse dans le milieu du karting, et monte sur le podium du championnat d'Europe KF3.

La monoplace

En 2010, il rejoint la filière Red Bull Junior Team et fait ses débuts en monoplace dans le championnat européen de Formule BMW. Il se classe quatrième, avec une victoire. La saison suivante, il s'engage en Formule Renault 2.0 et remporte le titre dans la Northern European Cup, ce qui le distingue comme l'un des jeunes espoirs du programme Red Bull.

En 2012, il progresse en Formule 3 britannique, mais connaît une saison plus difficile, se classant sixième du championnat. En 2013, il découvre la GP3 Series avec Daniil Kvyat comme coéquipier. C'est ce dernier qui brille, remportant le titre, tandis que Carlos est encore décevant et ne termine que dixième du championnat. Cette expérience n'entame cependant pas sa progression, puisqu'il effectue quelques séances d'essais de Formule 1 avec Red Bull Racing.

L'année 2014 est décisive pour sa carrière, puisqu'il devient champion de Formule Renault 3.5 à l'issue d'une lutte acharnée contre Pierre Gasly. Ce titre, obtenu dans une discipline réputée pour servir de tremplin vers la Formule 1, attire l'attention sur son potentiel et lui ouvre les portes de la discipline reine.

Il choisit le numéro 55 comme numéro permanent, ce qui lui permet de styliser son nom en « Carlo55ainz » sur ses supports de communication.

En F1 avec Toro Rosso

En 2015, Carlos fait ses débuts en Formule 1 chez Toro Rosso, aux côtés de Max Verstappen. Dès le Grand Prix d'Australie, il marque ses premiers points en se classant neuvième, puis améliore ce résultat au Grand Prix de Malaisie en se classant huitième. La première partie de la saison est marquée par une certaine régularité, Carlos parvenant à marquer des points à plusieurs reprises, notamment à Barcelone et à Monaco. Cependant, la fiabilité de la Toro Rosso STR10 pose problème. Sept abandons, dont une série de quatre consécutifs en milieu de saison, freinent sa progression et l'empêchent d'obtenir de meilleurs résultats, malgré un rythme en course parfois proche de celui des équipes de tête. Lors du Grand Prix des États-Unis, il est contraint de partir depuis la voie des stands à cause d'un accident survenu lors des qualifications. Il remonte néanmoins jusqu'à la septième place, son meilleur résultat de la saison. Il termine la saison à la quinzième place du championnat du monde, un résultat qu'il estime ne pas refléter pleinement ses performances en raison des nombreux problèmes mécaniques rencontrés.

En 2016, il reste chez Toro Rosso, avec la STR11 équipée d'un moteur Ferrari de l'année précédente. Il réalise une première partie de saison solide, entrant huit fois dans les points lors des onze premiers Grands Prix. Parmi ses meilleures performances, on compte une sixième place lors du Grand Prix d'Espagne, devant son public, et une huitième place à Monaco. Cependant, après la promotion de Max Verstappen chez Red Bull en cours de saison, il devient le leader de l'équipe, qui accueille alors Daniil Kvyat comme nouveau coéquipier. Sur la deuxième moitié de l'année, la Toro Rosso peine sur les circuits rapides du calendrier et il ne parvient à marquer des points qu'à deux reprises. Il signe deux sixièmes places aux États-Unis et au Brésil, portant son total de points à 46 et terminant douzième du championnat du monde des pilotes. Il se distingue néanmoins par sa constance et sa capacité à saisir chaque occasion dès que la voiture le lui permet. Il se classe douzième du championnat.

En 2017, Carlos entame sa troisième saison consécutive chez Toro Rosso, une année charnière dans sa jeune carrière en Formule 1. Confirmé aux côtés de Daniil Kvyat, il évolue sur la STR12 de l'écurie, motorisée par Renault. Dès les premiers Grands Prix, il fait preuve de constance en qualifications comme en course, parvenant à marquer des points régulièrement malgré les limites de sa voiture. Les dix premiers Grands Prix illustrent bien son pilotage précis et sa capacité à gérer les courses sans commettre d'erreur. Il termine notamment huitième à Melbourne, puis septième en Chine lors des deux premiers Grands Prix, ce qui conforte sa réputation de pilote fiable capable d'exploiter au mieux le potentiel de sa monoplace. Après une septième place lors de son Grand Prix national, il se qualifie sixième sur la grille à Monaco et termine à la même place. Malgré une monoplace toujours en retrait par rapport aux équipes de tête, notamment sur les circuits où la puissance du moteur est primordiale, Carlos continue d'engranger les points avec constance. Il obtient des places remarquables, comme une huitième place lors du Grand Prix d'Azerbaïdjan ou une septième en Hongrie. Juste avant le Grand Prix de Singapour, il confirme son arrivée chez Renault pour la saison suivante. Peut-être motivé par ce transfert, il se classe quatrième à Singapour, son meilleur résultat depuis ses débuts en F1. Lors du Grand Prix du Japon, Jolyon Palmer annonce qu'il quitte Renault, et c'est Carlos qui le remplacera pour les quatre derniers Grands Prix.

Renault

Carlos se montre immédiatement performant, comme en témoigne sa qualification en Q3 lors du Grand Prix des États-Unis à Austin, où il termine à la septième place, marquant ainsi ses premiers points avec Renault. Lors des deux manches suivantes, il se qualifie en huitième position, mais ne parvient pas à marquer de point. Il abandonne au Mexique et se contente de la onzième place au Brésil. Il termine l'année par un abandon à Abou Dhabi. Cette saison 2017 marque ainsi une étape de confirmation et de maturation pour Carlos, qui s'est imposé comme un pilote fiable, régulier et capable de tirer le meilleur parti de son matériel. Il se prépare également à franchir un cap dans sa carrière en signant un contrat avec une équipe de plus grande envergure pour 2018.

En 2018, il entame la saison avec l'écurie française aux côtés de Nico Hülkenberg. Très tôt dans l'année, il s'impose comme un élément fiable de l'équipe, marquant un point dès le premier Grand Prix, en Australie. Après une onzième place à Bahreïn, il enchaîne avec six arrivées consécutives dans les points, dont une cinquième place en Azerbaïdjan. La suite de sa saison sera moins prolifique en points. Il ne marquera qu'une seule fois lors des cinq Grands Prix suivants, terminant neuvième en Hongrie. Cependant, à cette période, ses performances en qualifications déclinent, ce qui complique ses départs de course et limite son potentiel de remontée. Après la trêve estivale, la reprise à Spa est difficile, avec une onzième place, mais il parvient tout de même à marquer des points lors de plusieurs Grands Prix, notamment en Italie et à Singapour, où il se classe huitième. Il termine cependant la saison à Abou Dhabi en marquant huit points supplémentaires grâce à une sixième place. Sur l'ensemble de l'année, Carlos connaît peu d'abandons et parvient généralement à terminer les courses, faisant preuve d'une bonne régularité. Il termine dixième du championnat, contribuant significativement à la quatrième place de Renault chez les constructeurs. Il reste toutefois globalement devancé par Nico Hülkenberg, qui est souvent mieux placé en qualifications et parfois en course. Cette saison 2018 marque surtout la fin de sa collaboration avec Red Bull, ouvrant la voie à son passage chez McLaren en 2019.

McLaren

En 2019, Carlos commence sa première saison chez McLaren, en remplacement de Fernando Alonso. Après un début de saison difficile marqué par deux abandons en Australie et à Bahreïn, ainsi qu'une quatorzième place en Chine, il marque ses premiers points à Bakou en terminant septième. Il gagne ensuite en régularité, atteignant le top dix à huit reprises lors des neuf courses suivantes, avec notamment des résultats solides comme une cinquième place en Allemagne et en Hongrie. Après la pause estivale, il réalise deux courses remarquables, terminant sixième en Russie et cinquième au Japon, démontrant ainsi sa capacité d'adaptation et de gestion des courses. Sa saison atteint son apogée lors du Grand Prix du Brésil. Parti dernier à la suite d'un problème de moteur lors des qualifications, il remonte progressivement et se retrouve septième à dix tours de l'arrivée. Il profite d'abord de l'accrochage entre les deux Ferrari, puis d'un autre entre Hamilton et Albon, pour franchir la ligne d'arrivée en quatrième position. Cependant, Hamilton écope d'une pénalité, ce qui lui permet d'atteindre son premier podium en Formule 1, même s'il n'a pas pu le célébrer lors de la cérémonie officielle. Tout au long de la saison, Carlos a montré un style de pilotage agressif et précis, réalisant de nombreuses remontées en course, souvent aidé par des stratégies d'équipe efficaces. Il se classe sixième du championnat, son meilleur classement à ce jour, et s'impose comme le leader de l'équipe McLaren, notamment face à son jeune coéquipier Lando Norris. De plus, McLaren réalise un renouveau en devenant souvent la monoplace la plus compétitive derrière les trois meilleures équipes, et Carlos joue un rôle moteur dans cette progression.

Sa saison 2020 avec McLaren commence dans un contexte particulier, marqué par le report du début de la saison en raison de la pandémie de COVID-19, ainsi que par son transfert, officialisé en mai, vers Ferrari pour l'année suivante. Malgré ces distractions potentielles, Carlos mène une campagne régulière et solide. Dès le premier Grand Prix d'Autriche, il termine cinquième, ce qui témoigne de sa bonne forme et de la compétitivité de la McLaren MCL35. Il enchaîne ensuite avec deux neuvièmes places en Styrie et en Hongrie, puis rencontre une période plus difficile à Silverstone avec deux quatorzièmes places. Il se reprend avec une sixième place en Espagne, puis atteint le point culminant de sa saison au Grand Prix d'Italie, à Monza. Lors d'une course mouvementée marquée par de nombreuses erreurs des favoris, il profite des circonstances pour terminer deuxième, derrière Pierre Gasly, décrochant ainsi son meilleur résultat en Formule 1 à ce jour. Après Monza, il connaît deux abandons : en Toscane, à la suite d'un carambolage, et en Russie, à la suite d'un accident juste après le départ. Il marquera ensuite des points lors des sept derniers Grands Prix, terminant notamment quatrième au Grand Prix de Sakhir. Il conclut la saison à Abou Dhabi avec une sixième place, ce qui lui permet de terminer sixième du championnat. Sa régularité et ses qualités de gestion de course contribuent à faire de McLaren la troisième force du championnat. Il partage régulièrement les points avec son coéquipier Lando Norris, confirmant ainsi son statut de pilier de l'équipe.

Ferrari

En 2021, il fait ses débuts au sein de la Scuderia Ferrari, en remplacement de Sebastian Vettel, ce qui constitue une étape importante dans sa carrière et la réalisation d'un rêve personnel. La saison a débuté au Grand Prix de Bahreïn, où il a su s'adapter à une nouvelle monoplace et à une équipe aux attentes élevées, en signant une prestation solide avec une huitième place à la clé, sans toutefois prétendre au podium. Au fil des premières courses, il trouve son rythme, cumulant plusieurs top dix et démontrant sa régularité. L'une de ses premières étapes marquantes a été atteinte au Grand Prix de Monaco, en mai, où il a nettement amélioré ses performances en qualifications et en course, ce qui lui a permis d'obtenir son premier podium avec Ferrari en terminant deuxième. Pendant la période estivale, le pilote espagnol a poursuivi sur sa lancée en montant sur le podium lors du Grand Prix de Hongrie. Il a régulièrement marqué des points indispensables dans les Grands Prix suivants, notamment en Belgique, aux Pays-Bas et surtout en Russie, où il a de nouveau terminé sur le podium, prouvant qu'il pouvait rivaliser avec les meilleurs dans différentes conditions de course. La dernière étape de la saison, le Grand Prix d'Abou Dhabi en décembre, lui a permis de décrocher un nouveau podium et de conclure ainsi son année avec une performance de haut niveau. Tout au long de la saison, Carlos a brillé par sa constance : il a terminé toutes les courses sans jamais abandonner, ce qui est rare en Formule 1. Cette capacité à terminer les courses a été un atout précieux pour Ferrari dans la conquête de points importants pour le championnat des constructeurs. Au classement final du championnat des pilotes, il termine cinquième, devant son coéquipier Charles Leclerc, ce qui témoigne de son évolution et de sa compétitivité au sein de l'équipe.

Sa saison 2022 avec Ferrari a été marquée par plusieurs étapes significatives, entre avancées et difficultés. Dès le Grand Prix de Bahreïn, il se montre compétitif en terminant deuxième, derrière son coéquipier Charles Leclerc. Il enchaîne avec une troisième place en Arabie saoudite, confirmant ainsi un bon début de saison. Cependant, les ennuis commencent en Australie, où une sortie de piste dès les premiers tours le contraint à l'abandon. A Imola, il est éliminé dès le premier tour après un contact avec Daniel Ricciardo. Malgré ces revers, il se reprend à Miami avec un podium, puis enchaîne avec des résultats solides en Espagne et à Monaco, où il termine deuxième, regrettant de ne pas avoir pu tenter de dépasser Sergio Pérez en raison des conditions de piste. En Azerbaïdjan, une panne hydraulique l'a contraint à l'abandon, mais il remonte sur le podium au Canada après une lutte serrée avec Max Verstappen. Le point culminant de sa saison survient en Grande-Bretagne, où, après avoir décroché sa première pole position, il remporte sa première victoire en Formule 1 en dépassant Leclerc à dix tours de l'arrivée. Ce succès est survenu lors de son 150e Grand Prix. La suite de la saison a été plus irrégulière. Il a abandonné en Autriche à cause d'un incendie moteur, puis a enchaîné les top cinq et les podiums, notamment en Belgique, où il a signé sa deuxième pole position, à Singapour et au Brésil. Il a également réalisé de bonnes qualifications, décrochant trois pole positions, dont la troisième aux Etats-Unis, où il a été percuté dès le premier virage par George Russell, mettant ainsi fin à ses espoirs de victoire. Il termine cinquième du championnat avec neuf podiums et une victoire. Malgré une saison globalement dominée par Leclerc (trois victoires et le titre de vice-champion), Carlos a démontré qu'il pouvait rivaliser sur certains circuits, ce qui a consolidé sa place chez Ferrari.

La saison 2023 de Carlos a été marquée par une seule victoire, mais aussi par une certaine inconstance. Dès les premières courses, il est apparu que Red Bull dominait largement le championnat, avec Mercedes et Aston Martin qui se montraient également plus performants que Ferrari. Carlos est parvenu à marquer des points solides à Bahreïn (4e) et en Arabie saoudite (6e), mais il a été rétrogradé de huit places en Australie à la suite d'une pénalité. Ses performances ont souvent été inférieures à celles de son coéquipier Charles Leclerc, notamment après le podium de ce dernier à Bakou. Chez lui, en Espagne, Carlos a brillé en se qualifiant en première ligne, mais il n'a fini que cinquième. La seconde partie de la saison a vu une nette reprise de forme. En Italie, il signe une pole position très appréciée des tifosi et résiste à Leclerc jusqu'au dernier tour pour prendre la troisième place. Son moment fort reste toutefois le Grand Prix de Singapour, où il remporte la victoire en profitant des difficultés relatives de Red Bull. Sa stratégie de course a été saluée, notamment pour avoir su protéger ses pneus et contenir des adversaires tels que Lando Norris et les Mercedes. Cette victoire fait de lui le seul pilote, à l'exception de ceux de Red Bull, à avoir remporté un Grand Prix en 2023. Il décroche ensuite un nouveau podium aux Etats-Unis en terminant troisième. Toutefois, la fin de saison est moins positive, avec une pénalité sur la grille à Las Vegas et une course difficile à Abou Dhabi qui lui fait perdre des places au classement mondial. Il termine la saison à la septième place du championnat, à six points du quatrième, Fernando Alonso. Carlos a montré des moments de brillance, mais aussi une certaine fragilité due à plusieurs erreurs et accidents. Il reste derrière Leclerc dans la hiérarchie interne chez Ferrari, même si ce dernier a également connu des problèmes.

Carlos commence la saison 2024 avec Ferrari dans un climat d'incertitude. Alors qu'il pensait finaliser sa prolongation, Ferrari annonce en effet l'arrivée de Lewis Hamilton pour la saison suivante dès le 1er février. Cependant, dès le Grand Prix de Bahreïn, il démontre qu'il n'a pas perdu de sa motivation en signant un podium avec une troisième place. Il manque ensuite le Grand Prix d'Arabie saoudite pour cause d'appendicite, mais il revient en Australie, quinze jours plus tard, avec éclat. Après s'être qualifié en première ligne, il remporte la course en profitant des problèmes rencontrés par Max Verstappen. Au Japon, il décroche une nouvelle troisième place, confirmant ainsi sa régularité dans le haut du classement. Lors des trois courses suivantes, il se classe trois fois cinquième, puis monte à nouveau sur le podium à Monaco en terminant troisième. Le Canada marque un coup d'arrêt à son beau début de saison avec un abandon suite à une collision. Il ne se classe que sixième lors de son Grand Prix national, mais il se reprend en Autriche avec une nouvelle troisième place. Il enchaîne ensuite avec des résultats solides, mais sans monter sur le podium, lors des cinq Grands Prix suivants. Fin juillet, il annonce avoir signé un contrat de deux ans avec l'écurie Williams. Nouveau coup d'arrêt en Azerbaïdjan, à la suite d'un accrochage avec Sergio Pérez dans l'avant-dernier tour, alors qu'il pouvait prétendre monter sur le podium. Après une belle deuxième place aux Etats-Unis, il remporte sa deuxième victoire de l'année à Mexico, après avoir signé la pole position. Il abandonne à São Paulo, après être parti depuis la voie des stands, à la suite d'un accident survenu lors des qualifications. A Las Vegas, il termine troisième, puis sixième au Qatar. Il conclut l'année par une deuxième place à Abu Dhabi, son neuvième podium de l'année, et consolide ainsi sa cinquième position au championnat. Sa saison 2024, la dernière avec Ferrari, a été marquée par une constance notable et quelques performances stratégiques marquantes, notamment à Singapour, où sa gestion de la course a été saluée.