Juan-Pablo Montoya fait ses débuts en karting à l'âge de cinq ans. En 1995, il est engagé par Paul Stewart pour participer au championnat de Formule Vauxhall, dans lequel il se classe troisième. L'année suivante, il participe au championnat britannique de F3 et se classe cinquième avec deux victoires.

L'année suivante, il passe à la F3000 au sein du team RSM Marko et termine vice-champion avec trois victoires. En 1998, il signe dans la prestigieuse écurie Super Nova et va illuminer le monde du sport automobile de son talent en remportant le championnat international, avec quatre victoires et sept pole positions.

Parallèlement à cette saison triomphale en F3000, Juan-Pablo occupe le poste de pilote essayeur chez Williams. La logique aurait voulu qu'il accède directement à la F1, mais Frank Williams ne l'a pas vu ainsi et il l'envoie parfaire son expérience en CART, dans l'écurie Ganassi. Ce choix s'avère excellent, car Juan-Pablo va vite dominer ce championnat, alors qu'il n'est qu'un rookie ! Il remporte sept courses et décroche, de justesse, le titre de champion face à son rival écossais Dario Franchitti.

En 2000, il est gravement pénalisé par un manque cruel de fiabilité de sa monoplace et de son nouveau moteur Toyota, il ne peut conserver sa couronne malgré trois succès en championnat. Néanmoins, il se console en remportant les 500 miles d'Indianapolis, la plus célèbre manche du championnat concurrent, l'IRL. C'est ainsi que Williams-BMW se décide enfin à l'aligner en Formule 1 pour 2001.

Ses débuts au Grand Prix d'Australie se solderont par un abandon. Au Brésil, il se fait remarquer en prenant la tête de la course par un dépassement très osé au « restart » sur Michael Schumacher. Il abandonne plus loin, mais cette manœuvre va faire sa réputation de pilote hargneux. Les très nombreux problèmes de fiabilité des Williams-BMW l'empêchent de signer de bons résultats, mais il remporte tout de même sa première victoire en Italie. Il finit sixième du championnat, et apparaît dès lors comme le principal adversaire de Michael Schumacher.

Ainsi, en 2002, tout le monde l'annonce comme celui qui va faire tomber le Baron Rouge. Mais cela ne se passera pas comme prévu. Bien qu'il aligne pole sur pole, Juan-Pablo ne peut strictement rien faire en course face aux Ferrari, largement supérieures à sa Williams. Cependant, il prend l'ascendant sur son équipier Ralf Schumacher et devient de fait le favori de Franck Williams. Mais cette année-là, rien ne peut arrêter les Rouges et il ne peut faire mieux que troisième au championnat, à 96 points de Michael Schumacher.

L'année 2003 est une meilleure saison pour lui. Il passe la première partie de la saison à régler les problèmes de châssis de sa Williams. A partir de Monaco, il va enchaîner une série de huit podiums d'affilée, dont deux victoires à Monaco et à Hockenheim. Cette série lui permet de recoller à un point de Schumacher à trois manches de la fin. Il finit deuxième à Monza derrière son rival, mais les deux dernières courses s'annoncent très favorables aux Williams. Le sacre est proche. Mais alors que rien ne semble l'arrêter, Juan-Pablo va faire une énorme bourde aux USA en sortant Rubens Barrichello de la piste un peu trop violemment . Il est contraint d'observer une bien sévère pénalité et sa sixième place finale lui fait perdre toute chance de titre. Il finit à nouveau à la troisième place du classement final.

A la fin de l'année, Juan-Pablo annonce son départ pour 2005 chez McLaren mais reste chez Williams en 2004 où il doit faire face aux problèmes de sa FW26 peu performante. Toute l'année, il doit se contenter des places d'honneur, quand sa monoplace ne le trahit pas. Il doit finalement attendre le dernier Grand Prix de la saison au Brésil pour triompher et remercier son équipe pour laquelle c'était son dernier grand prix.

En 2005, un nouveau défi l'attend chez McLaren, aux côtés de Kimi Räikkönen. Mais son début de saison est chaotique. En effet après seulement deux courses, il se blesse stupidement lors d'une partie de tennis et manque les Grands Prix de Bahreïn et de Saint-Marin. A son retour, il se montre brouillon et maladroit alors que Räikkönen remporte coup sur coup Barcelone et Monaco. Au Canada, "Monty" mène la course, mais lors des ravitaillements, son équipe le fait sortir des stands alors que le feu est au rouge. Une erreur stupide qui entraîne sa disqualification.

Il se reprend bien par la suite, puisqu'il remporte ses trois premières victoires pour McLaren à Silverstone, Monza et Interlagos. Mais il est également victime de nombreux accrochages (comme à Istanbul ou à Suzuka) qui font perdre de précieux points à McLaren. Il finit quatrième au championnat.

Après l'échec de 2005, 2006 doit être enfin l'année de la consécration pour McLaren. Hélas, si la MP4/21 est plus fiable que sa devancière, elle est bien moins rapide ! Les performances de Juan-Pablo en pâtissent, et son début de saison est pour le moins médiocre: deux podiums seulement, à Imola et Monaco. Pendant ce temps, ses relations avec Ron Dennis se tendent. Avec sa récente paternité, Juan-Pablo affiche de plus en plus un caractère nonchalant, ce qui déplaît évidemment à son rigide patron. Les rumeurs de son départ en fin de la saison se font pressantes en juin, d'autant plus que le colombien commet de nombreuses erreurs en courses, comme à Montréal où il tape à « Bienvenue au Québec ». A Indianapolis, il va sceller son sort : au départ, il percute son équipier Räikkönen et provoque un gigantesque carambolage. Les deux équipiers s'expliquent pour le moins vivement.

Une semaine après la course, le 9 juillet, Juan-Pablo annonce qu'il quitte la F1 fin 2006 pour aller en NASCAR. Le surlendemain, Ron Dennis annonce qu'il libère immédiatement le colombien. Sa carrière en F1 est terminée.

Dès lors, il fait son retour outre-Atlantique dans son ancienne écurie Ganassi, mais cette fois en Busch Series, où il dispute trois courses fin 2006. Il dispute également la dernière manche de la Nextel Cup, à Miami.

Début 2007, il remporte les 24 Heures de Daytona sur une Lexus Riley du team Ganassi, aux côtés de Scott Pruett et de Salvador Duran. Il pilote ensuite une Dodge du team Ganassi en Nextel Cup, tout en prenant part à quelques épreuves de Busch Series. Il remporte d'ailleurs en mars sa première victoire dans cette catégorie à Mexico. En juin, il triomphe pour la première fois en Nextel Cup, sur le circuit routier de Sonoma. Il réalise en tout trois « Top 5 » et termine le championnat au vingtième rang, avec le titre de rookie de l'année.

En 2008, il remporte pour la deuxième année consécutive les 24 Heures de Daytona aux côtés de son ami Dario Franchitti, de Scott Pruett et de Memo Rojas. En Nextel Cup, toujours avec Ganassi, il mène un championnat plutôt décevant avec seulement deux Top 5 et aucune victoire. Son meilleur résultat est une seconde place à Talladega.

Après avoir été annoncé chez Joe Gibbs Racing puis chez Toro Rosso, il signe finalement chez Ganassi pour 2009. Début 2009, il termine deuxième des 500 miles de Daytona. Le Colombien réalise une belle première partie de saison, avec une pole position à Talladega et une deuxième place à Pocono. Il pointe un temps à la troisième place du classement général, mais une série d'accidents en fin de championnat met un terme à ses chances de titre.

En 2010, sa saison de NASCAR est nettement moins bonne que la précédente. En début d'année, il enchaîne les accidents et les problèmes techniques. En seconde partie de championnat, il obtient quelques bons résultats et décroche une deuxième victoire sur le circuit routier de Watkins Glen. Ce succès fait de lui le premier non-Américain à obtenir plusieurs victoires dans cette compétition.

En 2011, son équipage obtient la deuxième place aux 24 Heures de Daytona. Sa saison de NASCAR est en revanche encore médiocre. Il n'obtient pas de victoire et ses places d'honneurs sont rares. Sa meilleure position est troisième à Las Vegas. Malgré deux pole positions, il est éliminé de la course au Chase et finit l'année en 21e place, peu épargné par les critiques de la discipline. Les saisons suivantes sont semblables à la précédente, deux poles mais cette fois pas de podium et une 22e place finale en 2012, deux podiums et la 21e place en 2013. Cependant en 2013, il remporte une troisième fois les 24 Heures de Daytona.

En 2014, il signe avec Penske pour participer au championnat IndyCar. Il termine sa saison avec une victoire, quatre podiums et une pole et termine à la quatrième place du championnat marquant ainsi son retour au premier plan. L'année suivante et encore meilleure pour le Colombien puisqu'il remporte les 500 Miles d'Indianapolis, quinze ans après sa première victoire. Avec deux victoires et cinq podiums, il termine deuxième du championnat, à égalité de points avec Scott Dixon, champion au nombre de victoires.

Il ne remporte qu'une victoire en 2016 lors de la première manche du championnat IndyCar qu'il termine à la huitième place. Juan Pablo va ensuite participer, toujours avec Penske, au championnat IMSA à partir de 2017 et remporte ce championnat en 2019 au volant d'une Acura. En 2021 et 2022, il participe à deux manches, dont les 500 miles, en IndyCar pour l'écurie Arrow McLaren mais sans résultat probant.