Gilles Villeneuve commence sa carrière de pilote en participant à des courses de motoneige au Québec. Il y remporte de nombreuses épreuves et décroche le titre de champion du monde lors du World Championship Snowmobile Derby en 1974. Cette expérience sur la glace lui permet de financer ses débuts en sport automobile.

Il s'inscrit alors à l'école de pilotage Jim Russell, sur le circuit du Mont-Tremblant, et se lance en Formule Ford. Il remporte le championnat de Formule Ford du Québec lors de la saison 1973, signant sept victoires en dix courses au volant d'une monoplace de plusieurs années d'âge.

En 1974, il accède à la Formule Atlantique. Après une saison d'adaptation marquée par une fracture de la jambe, il remporte sa première victoire dans la catégorie en 1975, sous la pluie, sur le circuit de Gimli. Durant la saison 1976, il domine le championnat de Formule Atlantique au sein de l'équipe Ecurie Canada, avec un total de neuf succès sur les dix épreuves au calendrier, au volant d'une March 76B. En septembre de la même année, lors du Grand Prix de Trois-Rivières, il s'impose devant plusieurs pilotes de Formule 1 invités pour l'occasion, dont le Britannique James Hunt. Cette victoire face à des pilotes internationaux n'est pas passée inaperçue aux yeux des écuries de Formule 1.

En 1977, il poursuit son engagement en Formule Atlantique. Il pilote pour l'écurie Ecurie Canada, au volant d'une March 77B, et domine à nouveau le championnat, grâce à des victoires décisives à Mosport, Gimli et Trois-Rivières. Il remporte ainsi un deuxième titre consécutif dans cette discipline.

En F1 avec McLaren

Convaincue par ses performances de l'année précédente, l'écurie McLaren lui offre l'opportunité de faire ses débuts en championnat du monde de Formule 1 lors du Grand Prix de Grande-Bretagne, en juillet. Après avoir effectué des essais à Silverstone, une semaine avant la course, il se voit confier une McLaren M23, un modèle de la saison précédente. Lors des qualifications, il réalise le neuvième temps, devançant son coéquipier Jochen Mass. En course, il maintient un rythme compétitif, mais doit effectuer un arrêt imprévu aux stands en raison d'une jauge de température d'eau défectueuse, ce qui le fait chuter au classement. Il termine onzième, ayant établi le cinquième meilleur tour en course. Malgré cette performance, la direction de McLaren, menée par Teddy Mayer, ne retient pas son option pour la saison suivante et engage Patrick Tambay à la place.

Ferrari

Ce refus permet à la Scuderia Ferrari d'approcher le pilote canadien. Enzo Ferrari l'engage pour disputer les deux dernières manches de la saison 1977, en remplacement de Niki Lauda qui a quitté l'équipe prématurément. Ses débuts avec Ferrari ont lieu lors du Grand Prix du Canada, sur le circuit de Mosport. Au volant de la Ferrari 312 T2, il se qualifie en dix-septième position avec une monoplace réglée pour Lauda, mais abandonne en course à la suite d'une casse de transmission. La dernière course de l'année se déroule au Japon, sur le circuit du mont Fuji. Parti de la vingtième position, il s'accroche avec la Tyrrell de Ronnie Peterson au cours du sixième tour. Sa monoplace décolle et s'écrase dans une zone interdite au public, tuant un commissaire de piste et un photographe. Le pilote s'en sort sans blessure physique, achevant cette saison sur un accident aux conséquences lourdes.

En 1978, il dispute sa première saison complète en Formule 1 en tant que pilote titulaire de la Scuderia Ferrari, aux côtés de Carlos Reutemann. L'équipe italienne utilise une évolution de sa monoplace, la 312 T3, et chausse désormais des pneus radiaux fournis par Michelin. L'adaptation à ces nouveaux pneus et l'apprentissage des tracés européens s'avèrent difficiles lors des premières courses. Il termine huitième en Argentine après avoir occupé les avant-postes, puis abandonne sur sortie de piste au Brésil et sur casse moteur en Afrique du Sud. Le Grand Prix des Etats-Unis Ouest marque un tournant. Qualifié en première ligne, il prend la tête de la course dès le départ et mène confortablement l'épreuve pendant trente-huit tours. Cependant, lors d'une manœuvre pour dépasser le pilote suisse Clay Regazzoni, il évalue mal la distance et percute l'arrière de la Shadow, ce qui provoque son abandon immédiat. Cet incident, couplé à de nouveaux abandons à Monaco et lors d'essais, lui vaut de sévères critiques de la part de la presse sportive italienne, qui remet en question sa place chez Ferrari. Il marque ses premiers points en Formule 1 en terminant quatrième du Grand Prix de Belgique. La partie centrale de la saison le voit gagner en régularité, avec des arrivées dans les dix premiers en Espagne, en Suède et en Allemagne. En Autriche, il se qualifie à une modeste onzième place sur la grille. Lors de la course, disputée sous la pluie, il parvient à prendre la tête de la course au 23e tour, mais se classe finalement troisième, montant ainsi sur son premier podium. Après une sixième place aux Pays-Bas, il se qualifie en deuxième position en Italie et se bat pour la victoire face à Mario Andretti. Il franchit la ligne d'arrivée en deuxième position, mais les deux pilotes écopent d'une pénalité d'une minute pour avoir anticipé le départ, ce qui les rétrograde à la sixième et à la septième place. La dernière manche de la saison se déroule au Canada, sur le nouveau circuit de l'île Notre-Dame, à Montréal. Dans des conditions météorologiques précaires, il s'élance de la troisième position. Profitant de l'abandon de la Lotus de Jean-Pierre Jarier, il prend la tête de la course et franchit la ligne d'arrivée en vainqueur. Il signe ainsi sa première victoire en Formule 1 à domicile et achève le championnat à la neuvième place.

En 1979, le Canadien fait équipe avec le pilote sud-africain Jody Scheckter chez Ferrari. Les deux premières courses de la saison, qui se déroulent en Amérique du Sud, sont disputées avec la monoplace de l'année précédente. Il abandonne en Argentine et se classe cinquième au Brésil. Le Grand Prix d'Afrique du Sud marque l'introduction de la nouvelle Ferrari 312 T4, une monoplace à effet de sol. Avec cette nouvelle voiture, il remporte la victoire à Kyalami, puis enchaîne avec un deuxième succès consécutif à Long Beach, réalisant pour l'occasion le grand chelem en décrochant sa première pole position, le meilleur tour en course et en menant l'épreuve de bout en bout. Ces résultats lui permettent de prendre la tête du championnat du monde. Lors de la tournée européenne, les résultats sont plus irréguliers, avec des septièmes places en Espagne et en Belgique, ainsi qu'un abandon à Monaco, dû à une casse de transmission. Le Grand Prix de France, qui se déroule sur le circuit de Dijon-Prenois, reste une épreuve marquante de l'histoire de la Formule 1. Après avoir mené la première moitié de la course, il est confronté à une usure prononcée de ses pneus et se fait dépasser par la Renault de Jean-Pierre Jabouille.A quatre tours de l'arrivée, il est rejoint par la Renault de René Arnoux. Les deux pilotes s'engagent alors dans une confrontation directe, échangeant leurs positions à de multiples reprises, se heurtant même. Gilles parvient à conserver l'avantage et franchit la ligne d'arrivée en deuxième position. Après deux Grands Prix sans marquer le moindre point, il termine deuxième en Autriche. Au Pays-Bas, alors qu'il est en tête, son pneu arrière gauche éclate. Il choisit de boucler un tour complet sur trois roues pour regagner son stand, arrachant la suspension au passage, ce qui le contraint à l'abandon. A l'occasion du Grand Prix d'Italie à Monza, il respecte les consignes de la direction de Ferrari en restant derrière son coéquipier Jody Scheckter. Il termine deuxième, ce qui permet à Ferrari de remporter le titre des constructeurs, et à Scheckter de remporter le titre des pilotes. Après une deuxième place au Canada, il clôt la saison par une troisième victoire aux Etats-Unis et termine vice-champion du monde.

La saison 1980 est marquée par l'exploitation de la Ferrari 312 T5, une évolution peu efficace du modèle précédent. Le développement de la technologie de l'effet de sol par les écuries concurrentes rend le châssis italien, limité par l'encombrement de son moteur à douze cylindres à plat, obsolète sur le plan aérodynamique. De plus, la monoplace souffre d'un manque de fiabilité chronique et d'une adhérence précaire en courbe. La saison commence par une série de contre-performances, avec quatre abandons lors des quatre premières manches. Il inscrit son premier point de la saison en terminant sixième en Belgique. A Monaco, il parvient à hisser sa monoplace à la cinquième place. La suite du calendrier est une succession de luttes dans la deuxième moitié du peloton. Il se classe toutefois sixième en Allemagne. Lors du Grand Prix d'Italie, disputé sur le circuit d'Imola, il est victime d'un grave accident au cinquième tour : un pneu déchapé le projette contre le mur à haute vitesse, détruisant intégralement la monoplace, mais sans causer de blessures au pilote. Lors de l'avant-dernière manche au Canada, il termine cinquième sur ses terres. La saison s'achève sur un ultime abandon aux Etats-Unis, à la suite d'un accident. Au terme de cette saison très difficile, il se classe quatorzième. Son coéquipier, le champion en titre Jody Scheckter, annonce quant à lui sa retraite à l'issue de la saison, soulignant le manque de compétitivité du matériel fourni par la Scuderia Ferrari cette année-là.

Pour la saison 1981, la Scuderia Ferrari remplace son moteur V12 atmosphérique par un moteur V6 turbocompressé sur la Ferrari 126 CK. Gilles Villeneuve est désormais associé au pilote français Didier Pironi. La nouvelle motorisation offre une puissance de pointe importante, mais souffre d'un temps de réponse du turbocompresseur important. Le châssis associé présente également des lacunes en matière de rigidité et d'aérodynamique, ce qui rend la voiture particulièrement instable. Les trois premières courses sur le continent américain se soldent par trois abandons. Le retour en Europe permet de corriger certains problèmes, et le Canadien décroche la pole position lors du Grand Prix de Saint-Marin. Mais après un mauvais choix de pneus, il ne termine que septième. Après une quatrième place en Belgique, qui rapporte les premiers points de la saison, le Grand Prix de Monaco marque un tournant technique majeur. Sur ce tracé sinueux, a priori défavorable aux moteurs turbocompressés en raison de leur temps de réponse, il se qualifie en deuxième position. En fin de course, il profite des abandons de Nelson Piquet et d'Alan Jones pour s'emparer de la première place et remporter la course. La course suivante, en Espagne, confirme ce résultat. Qualifié septième, il prend la tête de la course au quatorzième tour et franchit la ligne d'arrivée en vainqueur, avec seulement deux dixièmes de seconde d'avance sur Jacques Laffite. La seconde moitié du championnat est nettement plus difficile. Il enregistre cinq abandons et une dixième place en Allemagne lors des six manches suivantes. Sous la pluie du Grand Prix du Canada, il se hisse à la troisième place malgré un aileron avant complètement tordu à la suite d'un tête-à-queue à deux tiers de la course. Il conclut la saison par une disqualification à Las Vegas pour un positionnement illégal sur la grille, et se classe septième du championnat.

La saison 1982 commence avec une nouvelle monoplace : la Ferrari 126 C2. Conçue par l'ingénieur britannique Harvey Postlethwaite, cette voiture intègre une structure en nid d'abeille d'aluminium qui lui confère une rigidité nettement supérieure. Le potentiel de la voiture est évident, mais le début de championnat est perturbé par des problèmes politiques et de fiabilité. Lors de la première course, en Afrique du Sud, il est contraint d'abandonner à cause d'une panne de turbo dès le début de la course. Au Brésil, il mène la course pendant vingt-neuf tours, puis sort de la piste alors qu'il défend sa position face à Nelson Piquet. A Long Beach, il franchit la ligne d'arrivée en troisième position, mais il est disqualifié a posteriori en raison de la présence d'un double aileron arrière asymétrique. Le Grand Prix de Saint-Marin se déroule dans un contexte de boycott de la part de plusieurs écuries britanniques. Durant la course, les Renault abandonnent, laissant les deux Ferrari se battre pour la victoire. Le stand Ferrari affiche un panneau « SLOW » à ses pilotes pour leur demander de ménager la mécanique. Gilles, alors en tête, comprend que les positions sont figées, mais Pironi ne l'entend pas ainsi et dépasse le Canadien. Pensant que son coéquipier offrait simplement un spectacle au public italien, Gilles reprend la tête de la course, mais Pironi le dépasse dans le dernier tour et remporte la victoire. Ce dépassement provoque la colère de Gilles, qui estime que les consignes d'équipe ont été violées. Deux semaines plus tard, le 8 mai, à dix minutes de la fin des qualifications du Grand Prix de Belgique, Gilles est en piste pour tenter de battre le temps de Pironi. Alors qu'il rejoint la March de Jochen Mass qui roule à faible allure, ce dernier se déporte vers la droite pour le laisser passer, mais Gilles fait de même pour le doubler par l'extérieur. La Ferrari percute alors la roue arrière de la March, s'envole dans les airs, effectue une série de tonneaux et se disloque. Éjecté de l'habitacle, Gilles gît inconscient au pied d'un grillage. Un médecin lui pratique un massage cardiaque avant qu'il ne soit transféré à l'hôpital de Louvain, où il décède dans la soirée.