Hihetetlen rajtot láthattak a barcelonai versenypályára kilátogatók, hiszen a negyedik helyről induló hazai kedvenc, Fernando Alonso a célegyenes végére mindkét Red Bull, és Lewis Hamilton mellett is elment és átvette a vezetést a versenyben. Mellette még Schumacher rajtolt remekül, a 10. helyről a 6.-ra jött előre, a startnál a Mclarenes Jenson Button vesztette a legtöbb pozíciót. 
A következő körökre kicsit lenyugodott a mezőny, a sorrend csak a kényszerű boxkiállások miatt változott. Az élen a sorrend Alonso, Vettel, Webber, Hamilton, Petrov, Schumacher, Massa, Button volt a 9. körben. Vettel azonban megtörte a csendet, a 10. körben kiment új gumikért. Egy körrel később követte a Ferraris spanyol és Webber is, visszatérésük után megmaradt a Ferrari-Red Bull-Red Bull sorrend.
Hamilton csak a 12. körben hajtott ki (két körrel többet ment, mint az első három pilóta), aminek az lett az eredménye, hogy feljött a harmadik helyre. Ráadásul gyorsan odaért a címvédő mögé. Alonso, Vettel és Hamilton egy másodpercen belül autóztak folyamatosan a 13.-18. körben.
A 19. körben kezdődött meg a második kerékcserék sora, és újra Sebastian Vettel gurult ki először. A német pilóta egy teljesen új szettet kapott (valószínűleg ezt a négy abroncsot spórolta meg az időmérő edzésen). A következő körben Alonso és Webber ment ki, így Hamilton vette át a vezetést a versenyben, Vettel pedig megelőzte a spanyolt.
Lewis Hamilton az élről állt ki a 24. körben, és a második helyre jött vissza. Vettelt nem tudta megszorítani, de Alonso és Webber elé simán vissza tudott állni, így a kerékcserével szereztek egy pozíciót. Mark Webber közben szorongatta az előtte lévő Ferrarist, de előzési pozícióba nem tudott kerülni. Beállt a négyes vonat.
A versenytáv felénél Mark Webber és Alonso harmadszor is kereket cserélt (mindkét pilóta kemény keveréket kapott) a művelet után pedig a boxutcában is összecsaptak. A kijáratig egymás mellett haladtak, a spanyol volt egy kicsivel előrébb, és sikerült megtartania a célegyenes végéig az előnyt. Az élen haladó kettős továbbra is a pályán volt, Vettel két másodperces előnyt autózott ki Hamilton előtt.
A harmadik helyért vívott csata tette izgalmassá a versenyt, Alonso hősiesen védte pozícióját körökön keresztül Webber előtt. A 34. körben sikerült is elmennie a spanyol mellett, de a következő kanyarban a Ferrari pilótája azonnal visszaszerezte a dobogós helyet. Jenson Button rontotta el a játékot, mivel utolérte, és könnyedén megelőzte a két versenyzőt.
Az angol pilóta ismét más taktikával futott neki a versenynek, mint az élboly többi tagja, mivel egy kiállással kevesebbet terveztek a 2009-es világbajnoknak. A hátsó szekcióban Felipe Massa pörgette meg Ferrariját a menetiránnyal szembe, de folytatni tudta a versenyt, Nico Rosberg pedig iszonyatosan gyűrte az előtte haladó csapattársát, Schumachert a 6. helyért. A sorrend ekkor Vettel, Hamilton, Button, Webber, Alonso, Schumacher, Rosberg, Petrov, Massa és Buemi volt a pontszerző helyeken. A spanyol azért került vissza az 5. helyre, mivel a 41. körben negyedszer is a boxban járt.
Hamilton folyamatosan nyomás alatt tartotta az élen haladó Vettelt, és egy másodpercre megközelítette a németet. Ráadásul a Red Bull a 47. körben aggasztó hírt közölt pilótájával, nevezetesen, hogy a világbajnok autójában nem működik rendesen a KERS. Ezt egyébként a McLaren is hallotta, közben pedig elkezdődött a negyedik kiállások sora. 
Az 50. körben Vettel vezetett, Hamilton két másodperccel követte, Button a taktikájának köszönhetően feljött a harmadik helyre. Webber maradt a negyedik helyen, a remekül rajtoló Alonso pedig visszaesett az 5. pozícióba. Hatodik volt Schumacher, mögötte Rosberg, Massa, di Resta és Heidfeld következett. Biztossá vált, hogy Hamiltonnak a győzelemért a pályán kell megelőzni a Red Bullt. Az angol meg is tett mindent az ügy érdekében, az 54. kör végére egy másodpercen belülre jött fel a német mögé. Egy körrel később pedig megindult a csata. Massa végleg kiállt a futamból.
Azonban hiába tudott a célegyenes végére nagyon közel kerülni Hamilton Vettelhez, még a KERS és az állítható hátsó szárny segítségével sem tudta megelőzni. A körök többi részén pedig hősiesen védte vezető helyét a Red Bullos versenyző. Közben az 5. helyen futó Alonso is kört kapott az első két pilótától.
Lewis Hamilton 11 körön keresztül üldözte az élen haladó Vettelt, mégsem tudta megelőzni, így a Red Bull német világbajnoka nyerte a Spanyol Nagydíjat, amivel az idény első öt versenyéből négyen végzett az élen. Mögötte a Mclaren pilótája futott be, a verseny harmadik helyét pedig Jenson Button szerezte meg. Webber a pole pozícióból rajtolva lett 4., Alonso végzett mögötte. Hatodik és hetedik helyen a két Mercedes végzett, Schumacher-Rosberg sorrendben.
