Pastor Maldonado est le premier pilote vénézuélien depuis Johnny Cecotto en 1984, hormis Ernesto Viso, qui a été essayeur éphémère chez Midland en 2006.

Il commence la monoplace en 2002 dans le championnat national de Formule Ford. Il rejoint le championnat italien de Formule Renault en 2003, puis remporte le titre en 2004. Il effectue ses premiers essais en Formule 1 durant l'intersaison 2004-2005 pour Minardi. En 2005, il signe chez DAMS en Formule Renault 3.5. A Monaco, alors que la course est sous régime de drapeaux jaunes au niveau du virage de Massenet, il ne ralentit pas suffisamment et percute violemment un commissaire de piste qui intervenait sur un précédent accident, le blessant grièvement. Après que la famille Maldonado s'est engagée à prendre en charge les frais médicaux et de rééducation du commissaire, le Vénézuélien est suspendu pour quatre courses. Il se classe 25e du championnat avec quatre points. En 2006, il signe chez Draco Racing et termine troisième du championnat avec trois victoires, dont une à Monaco.

En 2007, il débarque en GP2 chez Trident, mais ne participe pas à toute la saison. Il remporte néanmoins une victoire (à Monaco !) et se classe onzième du championnat. En 2008, il signe chez Piquet Sports. Il réalise une excellente saison, avec à la clé la cinquième place du championnat, une victoire à Spa-Francorchamps et six podiums au total. En 2009, il rejoint l'équipe ART avec comme coéquipier Nicolas Hülkenberg. Si sa saison est plutôt bonne, avec notamment trois victoires dont une à Monaco, il est très largement dominé par son coéquipier, qui remporte le titre.

En 2010, il dispute sa quatrième saison en GP2 avec l'écurie Rapax et réalise la meilleure saison de sa carrière en promotion. Après un début de saison solide, il enchaîne surtout une série impressionnante de six victoires consécutives lors des « longues » courses, un record dans la catégorie. Grâce à cette domination, il est sacré champion de GP2 dès Monza, devant Sergio Pérez.

Il est retenu pour les essais de jeunes pilotes à Abu Dhabi par Williams et HRT, et réalise des chronos plus que convaincants. Disposant d'un budget conséquent du pétrolier PVDSA, il est longtemps pressenti pour être titulaire chez HRT, comme l'ont montré les tests effectués pour Pirelli. Finalement, il signe chez Williams, en remplacement de son ancien coéquipier Nico Hülkenberg.

En F1 Avec Williams

Les débuts du Vénézuélien en Formule 1 sont difficiles : la FW33 est lente et ni lui ni Rubens Barrichello ne peuvent y remédier. Cependant, Pastor montre quelques qualités en qualifications et parvient à se hisser en Q3 à trois reprises au cours de la saison. A Monaco, il aurait même pu finir sixième si Hamilton ne l'avait pas accroché à quelques tours de l'arrivée. Il s'accrochera à nouveau avec le champion du monde britannique à Spa, mais cette fois, ce sera volontaire. Gêné par l'Anglais pendant son tour de qualifications, il le provoque volontairement et est pénalisé de cinq places sur la grille de départ. Cela ne l'empêche toutefois pas de marquer son premier et seul point de la saison. Malgré une saison très décevante, il s'est montré proche de l'expérimenté Barrichello et a donc été conservé une année supplémentaire.

En 2012, il affronte Bruno Senna et sa saison commence bien puisqu'il se qualifie en huitième position lors de la manche inaugurale en Australie. Alors qu'il se battait pour la cinquième place avec Fernando Alonso, il termine sa course dans le mur lors du dernier tour. Il marque ses premiers points de la saison à Shanghai, où il se classe huitième. Après un abandon à Bahreïn, l'inespéré se produit en Espagne. Initialement deuxième sur la grille, le poleman Lewis Hamilton est disqualifié et Maldonado part donc en pole position le lendemain ! En course, il résiste à Alonso et Räikkönen, et franchit la ligne d'arrivée en tête, en vainqueur incontesté. Mais cette embellie s'arrête après cette course. Il s'accroche avec Pérez lors des essais à Monaco, part dernier et s'accroche avec Pedro de la Rosa dès le départ. Au Canada, il termine dans le mur des champions lors des qualifications. A Valence, alors qu'il est en route pour un nouveau podium, il s'accroche à nouveau avec Hamilton. En Grande-Bretagne, il perd le contrôle de sa voiture et percute à nouveau Pérez. En Hongrie, il écope d'une pénalité discutable pour une collision avec Paul di Resta. En Belgique, il prend un départ anticipé, est victime d'un accrochage au départ et est jugé responsable d'une collision avec Timo Glock, ce qui le pénalise sur la grille à Monza. À Singapour, il se qualifie brillamment en deuxième position, mais est contraint à l'abandon en course. Ce n'est qu'à Suzuka qu'il peut enfin marquer des points, ses premiers depuis sa victoire à Barcelone. Au cours de cette saison, le Vénézuélien a établi deux records peu enviables : le plus grand nombre de pénalités reçues en une seule saison et le classement final le moins élevé pour un vainqueur de Grand Prix. Pastor n'a terminé que cinq courses dans les points et se classe quinzième.

Cependant, ses sponsors restent généreux et il conserve donc sa place chez Williams en 2013. Il se retrouve cette fois confronté à l'ancien pilote d'essai de l'écurie, Valtteri Bottas. Mais la FW35 n'est pas aussi rapide que sa devancière et la saison de Williams ressemble trait pour trait à celle de 2011. Pastor ne marque qu'un seul point en Hongrie, tandis que le Finlandais prend le dessus sur son coéquipier et le devance au classement après une huitième place aux Etats-Unis. Fâché avec son équipe, il part avec ses valises pleines de billets chez Lotus.

Lotus

L'écurie d'Enstone reste sur deux excellentes saisons et espère beaucoup de 2014, malgré le départ de Kimi Räikkönen. Cependant, le V6 turbo de Renault et le châssis de la E22 ne sont pas très performants. De plus, Pastor est de nouveau impliqué dans des accrochages : à Sakhir, il envoie Esteban Gutiérrez en tonneaux à la sortie des stands. Il se crashe tout seul à l'entrée des stands en Chine et en Espagne. Il s'accroche à nouveau avec Gutierrez à Silverstone et de nombreuses autres sorties de piste font de lui la risée du petit monde de la Formule 1. Comme l'année précédente, il ne termine dans les points qu'à une seule reprise, à Austin.

Le Vénézuélien est toutefois conservé par l'écurie Lotus pour la saison 2015, aux côtés de Romain Grosjean. La E23 est bien meilleure que sa devancière et Pastor semble s'être assagi. Mais cette fois, la malchance semble le rattraper : il abandonne cinq fois lors des six premières courses. Il est accroché à quatre reprises durant ces courses ; juste retour de bâton, diront certains. Mais le champion GP2 2011 est déterminé à montrer sa valeur et termine à la septième place des Grands Prix du Canada et d'Autriche. A Silverstone, il est victime d'un carambolage provoqué par Daniel Ricciardo au départ et abandonne dès le premier tour. Il ne parvient à se qualifier pour la Q3 qu'à deux autres reprises cette saison, en Belgique et en Italie, mais sa Lotus le lâche après deux tours lors de ces deux courses. Il marque des points trois fois en quatre courses (onzième au Mexique), mais ses vieux démons le rattrapent au Brésil lorsqu'il accroche bêtement Marcus Ericsson. Il marque néanmoins son dernier point de la saison à São Paulo, car sa course à Abu Dhabi s'arrête dans l'échappatoire du premier virage, après avoir été percuté par Alonso. Avec cette quatorzième place, il obtient son meilleur classement en championnat depuis ses débuts en 2011. Mais le cours du pétrole et la situation économique du Venezuela sont catastrophiques, et début 2016, Renault (qui a racheté Lotus) décide de se séparer de lui.

L'après-F1

Il observe une période de retrait de la compétition active en 2016, durant laquelle il collabore avec le manufacturier Pirelli. Il participe au programme de développement des pneumatiques pour la saison suivante en effectuant plusieurs séances d'essais au volant d'une monoplace de GP2 spécialement conçue pour simuler les niveaux d'appui aérodynamique futurs.

En 2017, il reste éloigné des grilles de départ professionnelles, puis réoriente sa carrière vers l'endurance. Il officialise son retour à la compétition internationale en 2018 en rejoignant l'écurie américaine DragonSpeed pour disputer la « Super Saison » du Championnat du monde d'endurance (WEC) dans la catégorie LMP2, au volant d'une ORECA 07. Il s'adapte aux exigences de la discipline et décroche son premier podium en terminant deuxième de sa catégorie lors des 6 Heures de Shanghai.

L'année 2019 marque le début de la période la plus active de sa carrière post-Formule 1. En janvier, il participe aux 24 Heures de Daytona, aux États-Unis, où son équipage s'impose dans la catégorie LMP2. En mai, il remporte les 6 Heures de Spa-Francorchamps, en Belgique, au terme d'une course marquée par des conditions climatiques instables. Lors des 24 Heures du Mans 2019, il est en tête de sa catégorie avant d'être contraint à l'abandon à la suite d'une sortie de piste au virage du Tertre Rouge, en matinée.

Fin 2019, il met fin à sa collaboration avec l'écurie DragonSpeed, peu avant le début de la saison suivante. Il s'éloigne alors des championnats internationaux de premier plan pour se consacrer à sa vie privée. Il effectue toutefois des apparitions régulières dans les paddocks de Formule 1, en tant qu'invité ou pour des opérations de relations publiques. Il continue d'exercer un rôle de conseiller auprès de jeunes pilotes en devenir, tout en gérant ses propres intérêts. Ses apparitions publiques se font plus rares, se limitant à des interventions médiatiques ponctuelles sur l'actualité des Grands Prix ou à la participation à des événements commémoratifs liés à ses succès passés en monoplace.