Cuando, tres años después de su última victoria, Renault decidió volver a la Fórmula 1, se encontró con el problema que representaba la fabricación de un buen chasis. La mejor opción, pues, era buscar una escudería que quisiera vender su tecnología. Dada la relación que había existido entre Benetton y Renault de 1995 a 1997, y teniendo en cuenta las dificultades por las que atravesaba la escudería italo-inglesa, la oportunidad era perfecta. Así, a principios del año 2000 Renault adquirió Benetton.
En 2001, y mientras se reestructuraba el departamento de Renault Sport, los monoplazas azules continuaron participando bajo el nombre de Benetton-Renault, hasta que en 2002 pasaron a llamarse Renault F1. Con Giancarlo Fisichella y Jenson Button como pilotos, y en medio de todo este proceso de cambios, la temporada 2001 fue pobre en resultados para la escudería.
En cuanto a la estructura empresarial, Renault mantuvo las instalaciones de Benetton en Enstone (Inglaterra), donde se fabricarían los chasis, y las de Viry-Chátillon (Francia), donde se desarrollarían los motores. Patrick Faure pasaba a ser presidente de todo el conjunto de Renault F1, y Flavio Briatore, director general.

El debut del equipo Renault F1 fue en el Gran Premio de Australia de 2002, primera prueba de la temporada, con los pilotos Jenson Button y Jarno Trulli, que se estrenaban con el monoplaza R202. Ambos sabían que el trabajo fundamental de ese primer año sería ayudar al equipo a conseguir la perfecta unión entre chasis y motor. Debía ser una temporada de desarrollo, pruebas y experimentación, más que de resultados. Y en cierto modo así fue, pues surgieron algunos problemas, como roturas de motor y fallos electrónicos, algo normal en un monoplaza experimental.
Sin embargo, y pese a que Ferrari, Williams y McLaren dominaban la clasificación, Renault F1 obtuvo algunos buenos resultados. Dos cuartas posiciones de Jenson Button en Malasia y Brasil, dos quintas posiciones para el mismo piloto en San Marino e Italia, y dos cuartas posiciones en Mónaco y Nürburgring para Jarno Trulli fueron suficientes para que Patrick Faure considerara positivo aquel primer año en que Renault quedó clasificado en el Mundial de Marcas justo por detrás de las tres grandes escuderías.

Pero la temporada 2003 se acercaba y en Viry-Chátillon querían mejorar el motor, ya que el chasis había demostrado ser excelente. Así fue como regresó uno de los hombres más emblemáticos de Renault en la época del turbo: el francés Bernard Dudot. En cuanto a los pilotos, Flavio Briatore había tenido sus más y sus menos con Jenson Button, y pensaba en sustituirle. Decidió arriesgarse y situar en su lugar a Fernando Alonso, que entonces ejercía de piloto probador de la escudería. La suerte estaba echada.
La apuesta de Briatore por Alonso dio enseguida sus primeros frutos. Era un piloto joven, rápido, sin complejos y dispuesto a todo. Con la primera pole position y el primer pódium del piloto asturiano en el Gran Premio de Malasia, la temporada de 2003 se iniciaba de modo prometedor para Renault. Y, aunque problemas persistentes con el motor impidieron unos resultados más brillantes, la escudería conseguía su principal objetivo: situarse de nuevo entre las cuatro primeras marcas de la Fórmula 1.

En el siguiente gran premio, el de Brasil, el español sufrió un grave accidente al intentar esquivar los trozos de un monoplaza accidentado, y tuvo que ser evacuado en ambulancia. La carrera se suspendió y, al darse por buena la clasificación de la anterior vuelta, Alonso, con el Renault R23, se clasificó en tercera posición y logró su segundo pódium de la temporada, aunque no pudo disfrutarlo.
Ya del todo repuesto, en el Gran Premio de San Marino el español obtuvo de nuevo el mejor resultado para su equipo, una sexta posición, mientras que Jarno Trulli sólo podía finalizar en decimotercer lugar. En el Gran Premio de España, celebrado en el circuito de Catalunya, con un buen número de aficionados asturianos presentes, Alonso conquistó el segundo lugar del cajón, tras una carrera espectacular disputada a Michael Schumacher, que venció por una diferencia de sólo 5 segundos. Trulli, sin embargo, se salió de la pista y no finalizó la carrera.
Pero, a partir de ese momento, los altibajos fueron en aumento, especialmente por problemas de fiabilidad. En Austria, mientras Trulli obtenía la octava posición, Alonso abandonaba por un problema de motor. Y en Mónaco los Renault parecieron perder fuelle: Alonso y Trulli se clasificaron en quinta y sexta posición, respectivamente.

Sin duda, las dos cuartas plazas obtenidas por Alonso en Canadá (donde, en dura lucha con Juan Pablo Montoya, el asturiano consiguió la mejor vuelta en carrera) y en Nürburgring devolvieron la confianza a muchos, y, por supuesto, contribuyeron a salvar el honor de Renault. Pero, en Alemania, Trulli había tenido que abandonar por problemas en la presión del aceite y la fiabilidad de los monoplazas azules y amarillos estaba bastante comprometida.

Llegaba el Gran Premio de Francia, y Renault esperaba con ilusión un buen resultado, pero los dos motores de los R23 explotaron. Fue un duro golpe, aunque, en plena temporada, no podían hacer otra cosa que buscar las causas y seguir adelante. La historia casi volvió a repetirse en Silverstone, donde Jarno Trulli consiguió la sexta posición, mientras que Alonso abandonaba de nuevo por rotura de motor.
En el Gran Premio de Alemania las cosas empezaron a ir mejor. Trulli lograba la tercera plaza y Alonso la cuarta. Y, en Hungría, la actuación del español levantó de nuevo los ánimos: logró la pole position y una gran victoria (la primera de su carrera deportiva) en el complicado circuito de Hungaroring, donde los adelantamientos son casi imposibles.
Sin embargo, los Renault volvieron a demostrar una notable falta de potencia en Monza: Alonso se clasificó octavo y Trulli abandonó por problemas hidráulicos. Y en Indianápolis y Japón, el español sufrió rotura de motor, y Trulli pudo clasificarse en cuarto y quinto lugar, respectivamente.
La temporada acabó con la sexta posición para Alonso y la octava para Trulli en el Campeonato de Pilotos, mientras que en el de Marcas, Renault se clasificaba cuarto, por detrás de Ferrari, Williams y McLaren. Por ello, pese a los contratiempos, los hombres de Renault estaban satisfechos: se habían clasificado junto a las grandes escuderías y disponían de un chasis casi perfecto, aunque el motor estuviera unos 50 CV por debajo de los de sus rivales.

Los objetivos de Renault para la temporada 2004 eran cada vez más ambiciosos. Habían diseñado un nuevo monoplaza y un nuevo motor. El propulsor del R24 tenía 72 grados de ángulo, a diferencia de los motores de todos sus rivales que los mantenían a 90 grados. Además, había que trabajar mucho en la aerodinámica y en la nueva concepción del chasis para poder estar entre los grandes.
La temporada se inició en Australia, con la nueva normativa de la FIA que permitía un solo motor por gran premio, una decisión que muchos equipos consideraron algo precipitada. Los dos pilotos de Renault, Fernando Alonso y Jarno Trulli, hicieron una buena carrera. Alonso, claro número uno del equipo, conseguía su primer pódium del año, al clasificarse tercero, mientras que Trulli llegaba séptimo. La victoria fue para Michael Schumacher, en un año en que la superioridad de Ferrari sería devastadora.
En Malasia, debido a la rotura de motor en los entrenamientos (que obligó a colocar uno nuevo para la carrera), Alonso fue penalizado y tuvo que salir diez posiciones más retrasado en la parrilla, pero pudo puntuar al finalizar séptimo en la carrera, mientras que Trulli obtenía la quinta posición. También puntuaron en Bahrain, con una cuarta y una sexta plaza.
En el Gran Premio de San Marino, Alonso y Trulli lograban la cuarta y quinta plaza, respectivamente, mientras que en el circuito de Catalunya, Trulli conseguía la tercera posición del pódium y Alonso debía conformarse con la cuarta, ante los miles de aficionados que habían llegado procedentes de Asturias para animar a su piloto favorito.

Y llegó la prueba más esperada de la temporada, el Gran Premio de Mónaco, donde Renault recibió el mejor premio, la victoria, a manos del italiano Jarno Trulli. Alonso, por su parte, tuvo que abandonar por problemas con Ralf Schumacher a la salida del túnel.
Los resultados obtenidos por Trulli (cuarto) y Alonso (quinto) en la siguiente carrera, en Nürburgring, fueron considerados correctos en un trazado poco propicio y ante un público entregado a Michael Schumacher y a las escuderías McLaren-Mercedes y Williams-BMW.
Los problemas llegaron durante el Gran Premio de Canadá, donde los dos Renault tuvieron que abandonar. Y la semana siguiente, en Indianápolis, Trulli finalizó en cuarta posición, mientras que Alonso se retiraba por un pinchazo.
De nuevo en Europa, Alonso conseguía una magnífica segunda posición en el Gran Premio de Francia, en Magny Cours, mientras que Trulli lograba la cuarta. Pero en el circuito británico de Silverstone volvieron los problemas para Renault, con una décima posición para Alonso y el abandono de Trulli a causa de la suspensión.

En Alemania las cosas mejoraron algo, pues Alonso consiguió la tercera posición, aunque Trulli, desmotivado, no pasó de la undécima. El español obtuvo otra tercera plaza en el Gran Premio de Hungría, pero Trulli abandonó por rotura de motor. En los dos siguientes grandes premios, Bélgica e Italia, Trulli se clasificó noveno y décimo, respectivamente, y Alonso abandonó por una salida de pista y un accidente.
Después del Gran Premio de Italia, Jarno Trulli se fue del equipo y fichó por Toyota. Durante las carreras que faltaban, le sustituyó Jacques Villeneuve, que no llegó a adaptarse al monoplaza francés, y eso afectó a sus resultados.
Así, en China, Japón y Brasil, las tres últimas competiciones del año, sólo puntuó Alonso, que se clasificó cuarto, quinto y cuarto, respectivamente, y finalizó la temporada en cuarto lugar del Mundial de Pilotos. Renault, a su vez, conseguía la tercera posición en el de Constructores, después de Ferrari y Bar-Honda. Con el bronce en la mano, el siguiente objetivo eran la plata o el oro. Pero para ello había que trabajar duro y hacer un motor que pudiera soportar el desgaste que suponía la nueva normativa de la FIA: durante la temporada 2005, debería durar dos grandes premios.

La normativa de la FIA en 2005 obligó a modificar la aerodinámica de los vehículos e impuso una mayor duración para los motores (dos grandes premios) y para los neumáticos (no podían cambiarse en el transcurso de un gran premio excepto en caso de lluvia). Así pues, Renault sometió los componentes del nuevo motor V10 RS25 a unos exhaustivos análisis de riesgo, ya que algunas piezas debían durar cuatro veces más que antes. Y en pocos meses, desarrollaron unos motores fuertes y competitivos, con prácticamente la misma potencia que los anteriores y una gran fiabilidad.
La temporada empezaba el 6 de marzo en Australia, donde se comprobaría si todos los equipos habían hecho los deberes de acuerdo con la nueva normativa de la FIA. Y allí Renault dejó bien claras sus posibilidades, con la victoria del piloto italiano Giancarlo Fisichella, que sustituía a Jarno Trulli en el equipo, y con la tercera plaza y la vuelta rápida para Fernando Alonso.
Tres victorias consecutivas de Alonso (en Malasia, Bahrain y San Marino) auguraban una buena temporada para Renault, aunque Fisichella abandonó en las tres carreras. Después de estas cuatro pruebas disputadas, Alonso superaba ya en 16 puntos al piloto de Toyota Jarno Trulli, el segundo clasificado. Sin embargo, en el Gran Premio de España, los seguidores de Alonso vieron cómo éste era superado por Kimi Raikkonen (McLaren-Mercedes) y debía conformarse con una segunda posición. Y llegó la primera carrera sin pódium para el piloto español, que en Mónaco sufrió con los neumáticos traseros y se clasificó cuarto al ser superado de nuevo por Raikkonen y por los pilotos de Williams. En Nürburgring, en cambio, la mala suerte de Raikkonen favoreció a Alonso: en la última vuelta, el finlandés, que iba en cabeza seguido por el español, perdió una rueda de su monoplaza, y Alonso volvió a ganar.
Pero la trayectoria de Alonso sufrió el primer bache en el Gran Premio de Canadá, en el que perdió el control del vehículo y chocó contra un muro. Raikkonen vencía la carrera y recuperaba así diez puntos en la clasificación. Inmediatamente después, tras la insólita carrera de Indianápolis, en la que no participó ninguno de los equipos con neumáticos Michelin, Raikkonen y Alonso volvieron a enfrentarse en Francia, y el piloto español consiguió para su equipo una magnífica victoria en casa.

En Gran Bretaña y Alemania, el español volvió a subirse al pódium en segunda y primera posición, respectivamente, mientras que para Raikkonen se confirmaba una temporada poco afortunada, con rotura de motor y problemas hidráulicos. Gracias a ello, el piloto español se distanciaba 36 puntos del finlandés. Con esa cómoda ventaja, Alonso encaró los tres siguientes grandes premios (Hungría, Turquía e Italia) de manera más precavida con el fin de conservar sus opciones al título, que se mantuvieron a pesar de su undécima posición en Budapest, su peor resultado.
En Italia, nuevos problemas mecánicos y de neumáticos para Raikkonen y una nueva victoria de Alonso situaban el Campeonato al alcance de su mano. En Bélgica, la victoria del piloto de McLaren y un segundo puesto para Alonso siguieron dando emoción al Mundial, que se resolvía finalmente en Brasil con una tercera posición de Alonso y la consecución del título de Campeón del Mundo. Pero aún quedaba por decidir el Campeonato de Marcas, en el que McLaren y Renault iban muy igualados. En el Gran Premio de Japón Raikkonen venció seguido de Fisichella y Alonso, con lo que Renault encabezaba el Mundial de Constructores, aunque con sólo dos puntos de ventaja sobre McLaren. El título se decidiría, pues, en la última carrera, en China. Allí, la victoria de Alonso y el cuarto puesto de Fisichella consiguieron el doblete para Renault, que se proclamó Campeón en el Mundial de Constructores.