Jako oficjalny kierowca w Formule 1 zadebiutował w 2007 roku w zespole Renault w miejsce Fernando Alonso. W pierwszej części sezonu miał nieregularne wyniki, ale w drugiej punktował regularnie, zdobył także pierwsze podium (drugie miejsce w Grand Prix Japonii) i na koniec sezonu wyprzedził w klasyfikacji kierowców partnera z zespołu, Giancarlo Fisichellę. W 2008 roku przeszedł do zespołu McLaren. Fin osiągał znacznie gorsze wyniki od zespołowego partnera, Lewisa Hamiltona, ale mimo to zdołał wygrać swój pierwszy wyścig – Grand Prix Węgier. W sezonie 2009 także na ogół był wolniejszy od Hamiltona i po sezonie McLaren rozwiązał z nim kontrakt. Kovalainen przeszedł do powracającego do Formuły 1 Lotusa, dla którego startował do 2011 roku, nie zdołając jednak przez ten okres wywalczyć ani punktu. W sezonie 2012 był kierowcą powstałego na podstawach Lotusa Caterhama, a rok później – kierowcą rezerwowym tego zespołu. Zastąpił także na dwa ostatnie wyścigi sezonu Kimiego Räikkönena w Lotusie.
W 2015 roku zadebiutował w Super GT, rywalizując Lexusem. Rok później zdobył tytuł mistrzowski tej serii.