Tuż przed startem do okrążenia rozgrzewającego w bolidzie Davida Coultharda (McLaren) zgasł silnik i z tego powodu Szkot, zamiast startować z trzeciej, wyścig musiał rozpocząć z ostatniej pozycji. Następnie kłopoty z ruszeniem z miejsca podczas właściwego startu miał Heinz-Harald Frentzen (Jordan) i chociaż w bolidzie Niemca nie zgasł silnik, to jednak w obu przypadkach najprawdopodobniej zawinił nowy system, wspomagający kierowców podczas startu (tzw. launch control). Tak czy inaczej Frentzen zdołał w końcu ruszyć, ale był już w tym momencie ostatni.

Startujący z pierwszej pozycji Michael Schumacher (Ferrari) miał średnio udany start i w związku z tym musiał zastosować odpowiednie kroki, aby Mika Hakkinen (McLaren) nie wyprzedził go przed pierwszym zakrętem (Elf) – czyli po prostu zajechał Finowi drogę. Za Hakkinenem był w tym momencie młodszy z braci Schumacherów – Ralf (Williams), który podczas startu wyprzedził Rubensa Barrichello (Ferrari), jednak tuż za pierwszym zakrętem spadł ponownie na czwartą pozycję, ponieważ Brazylijczyk wykorzystując system wspomagania trakcji z łatwością objechał Niemca po zewnętrznej. Piątą pozycję utrzymał Jarno Trulli (Jordan), natomiast za Włochem znalazł się Juan Pablo Montoya (Williams), po wyminięciu Oliviera Panisa (BAR) oraz dwóch kierowców z zespołu Sauber – Nicka Heidfelda i Kimi Raikkonena tuż po starcie, a przed pierwszym zakrętem Kolumbijczyk wyprzedził również drugiego kierowcę z zespołu BAR – Jacquesa Villeneuve'a. Raikkonen tymczasem spadł na dziesiątą pozycję, a wyprzedzili go Heidfeld i Eddie Irvine (Jaguar), natomiast za Finem znalazł się Panis. Na dwunastą pozycję awansował Jos Verstappen (Arrows), który po całkiem niezłym starcie wyprzedził zespołowego partnera – Enrique Bernoldiego oraz obu kierowców z zespołu Prost, którzy w tym samym czasie zamienili się miejscami i jechali kolejno na 13 (Jean Alesi) i 14 (Luciano Burti) pozycji. Startujący z ostatniej pozycji Coulthard tym razem już bez żadnych problemów ruszył z miejsca i wyprzedził od razu pięciu kierowców, jednak podczas pokonywania pierwszego zakrętu doszło do stłuczki, w której brał udział właśnie Szkot, Bernoldi i najprawdopodobniej Fernando Alonso (Minardi). W wyniku tego drobnego incydentu w bolidzie Coultharda, jak i Bernoldiego uszkodzeniu uległ przedni spojler i obu kierowców czekała przymusowa wizyta w boksach. Po odbyciu napraw kierowcy ci spadli na ostatnie pozycje i do prowadzącego Michaela Schumachera mieli ponad 40 sekund straty. Z zaistniałej sytuacji skorzystał Frentzen, który po ukończeniu pierwszego okrążenia znalazł się na 19 pozycji, wyprzedzając po drodze drugiego kierowcę z zespołu Minardi – Tarso Marquesa.

Na drugim okrążeniu Frentzen wyprzedził Jensona Buttona (Benetton). Na następnym okrążeniu Panis awansował na 10 pozycję, po wyprzedzeniu Raikkonena. Na czwartym okrążeniu Pedro de la Rosa (Jaguar) wyprzedził Alonso, a na kolejnym okrążeniu kierowcę Minardi wyprzedził również Frentzen. Podczas tego okrążenia Panis próbował wyprzedzić Irvine'a, ale próba ta zakończyła się niepowodzeniem. Na szóstym okrążeniu Frentzen zaatakował de la Rosę przed jednym z wolniejszych zakrętów. Obaj kierowcy weszli w ten zakręt jadąc obok siebie, przy czym Hiszpan pozostawił bardzo niewiele wolnego miejsca Frentzenowi. Ten jednak wykorzystał każdy dostępny skrawek drogi wraz z krawężnikiem, a nawet lekko zahaczył o pobocze i dzięki temu zyskał pewną przewagę nad de la Rosą. Niestety Hiszpan nie zachował bezpiecznego dystansu i swoim przednim lewym kołem zaczepił o tylne prawe koło bolidu Niemca. W wyniku zetknięcia się kół bolid Frentzena uniósł się w powietrze na niewielką wysokość i po twardym lądowaniu, które z pewnością poważnie uszkodziło zawieszenie, zatrzymał się na żwirowisku. Natomiast bolid de la Rosy najprawdopodobniej nadawał się do dalszej jazdy, jednak Hiszpan chcąc ominąć bolid Niemca także wjechał na żwirowisko i nie udało mu się już stamtąd wyjechać.

Na ósmym okrążeniu Coulthard dogonił Bernoldiego i podążał za nim jak cień, z zamiarem odebrania mu 19 pozycji przy pierwszej lepszej okazji. Brazylijczyk jednak dzielnie się bronił, pomimo dysponowania znacznie gorszym bolidem. Niestety rozstrzygnięcie tego pojedynku nastąpiło nie w bezpośredniej walce, gdyż problemy z pompą paliwową zmusiły Bernoldiego do wycofania się z wyścigu na następnym okrążeniu i dzięki temu Coulthard awansował na 19 pozycję, ale nadal był ostatni. Stan ten zmienił się dopiero na 13 okrążeniu, kiedy to Szkot wyprzedził Marquesa. Cztery okrążenia później Coulthard był już piętnasty, po wyprzedzeniu Buttona, Fisichelli oraz Alonso. Ten ostatni zjechał do boksów pod koniec 16 okrążenia i spadł na 18 pozycję. Następnie na początku 19 i 20 okrążenia postoje w boksach zaliczyli: Button, Verstappen i Marques. Po tych postojach Alonso awansował na 17 pozycję, natomiast Coulthard znalazł się na 14 pozycji.

Na 21 okrążeniu jadący na czwartej pozycji Ralf Schumacher wpadł w poślizg podczas hamowania przed zakrętem, na którym wcześniej z wyścigu odpadli Frentzen oraz de la Rosa i zatrzymał się na żwirowisku, skąd oczywiście nie udało mu się już wyjechać. Pod koniec tego okrążenia do boksów zjechali równocześnie Trulli i Montoya. Mechanicy z zespołu Williams uwinęli się nieco szybciej od mechaników z zespołu Jordan i dzięki temu z boksów jako pierwszy wyjechał Kolumbijczyk, natomiast Trulli został dodatkowo wyprzedzony przez Alesiego, ale w tym momencie było to mało istotne, ponieważ Francuz nie zaliczył jeszcze postoju. Na początku 24 okrążenia w boksach pojawił się lider wyścigu – Michael Schumacher. Na tym samym okrążeniu postoje odbyli również: Villeneuve, Raikkonen i Alesi. Podczas pięciu następnych okrążeń w boksach zatrzymywali się pozostali w wyścigu kierowcy, którzy na swoim koncie nie mieli jeszcze żadnego postoju. Wyjątek stanowił Coulthard, dla którego postój na początku 29 okrążenia był już drugim postojem w tym wyścigu.

Po zakończeniu pierwszej rundy postojów kolejność trzech pierwszych kierowców wróciła do stanu sprzed postojów, czyli na prowadzeniu znalazł się ponownie Michael Schumacher, za nim z ponad dwusekundową stratą jechał Hakkinen, natomiast jadący na trzeciej pozycji Barrichello miał już do Schumachera około 13 sekund straty. Trulli, który po wycofaniu się z wyścigu Ralfa Schumachera jechał przez chwilę na czwartej pozycji, teraz był szósty, ponieważ podczas tej rundy postojów, oprócz Montoi wyprzedził go również Villeneuve. Także Panis, Verstappen i Fisichella byli stratni po postojach: przed Panisem na dziewiątej pozycji znalazł się Raikkonen (w trakcie postoju w bolidzie Francuza zgasł silnik), Verstappena wyprzedził Alesi (12 pozycja), natomiast Fisichella stracił 15 pozycję na rzecz Alonso, gdyż podczas postoju mechanicy z zespołu Benetton w bolidzie Włocha wymienili dodatkowo przednie skrzydło, które zostało uszkodzone podczas jakiejś potyczki). Coulthard tymczasem przeskoczył obu kierowców z zespołu Prost oraz jadącego między nimi Verstappena i znalazł się na 11 pozycji.

Drugą serię postojów zapoczątkował Raikkonen, zjeżdżając do boksów pod koniec 38 okrążenia. Jadący na pierwszej pozycji Michael Schumacher swój drugi postój odbył na początku 44 okrążenia. Trzy okrążenia później drugie postoje mieli już zaliczone prawie wszyscy kierowcy, z wyjątkiem kierowców z zespołu Prost oraz Hakkinena. Na pewno stratny w tym momencie był już Raikkonen, którego zdołali wyprzedzić Panis i Coulthard. Na 48 okrążeniu Barrichello wypadł z toru podczas pokonywania jednego z wolniejszych zakrętów. Brazylijczyk zdołał wyjechać ze żwirowiska i pod koniec tego okrążenia zjechał do boksów, podejrzewając przebicie jednej z tylnych opon. W tym samy czasie drugi postój w boksach odbył Burti, przy czym Brazylijczyk na tor zdołał powrócić przed Verstappenem, na 13 pozycji. Na 50 okrążeniu z wyścigu wycofał się Irvine, ze względu na problemy z silnikiem i żeby było śmieszniej, zatrzymał się na prostej startowej dokładnie w miejscu, w którym jeden z członków zespołu Jaguar akurat wystawił dla niego tablicę informacyjną przez szczelinę w ogrodzeniu.

Dopiero pod koniec 50 okrążenia do boksów po raz drugi zjechał tymczasowy lider wyścigu – Hakkinen. Fin przez kilka ostatnich okrążeń jechał na granicy swoich możliwości, aby uzyskać przewagę, która pozwoliłaby mu utrzymać pierwszą pozycję po postoju i tak się właśnie stało – po wyjechaniu z boksów Hakkinen miał jeszcze dwie sekundy przewagi nad Michaelem Schumacherem. Tuż po postoju Hakkinena w boksach pojawił się ponownie drugi kierowca Ferrari – Barrichello, bowiem okazało się, że przyczyną wypadnięcia z toru była awaria tylnego zawieszenia i wymiana opon nic nie pomogła, dlatego też Brazylijczyk postanowił wycofać się z wyścigu. W międzyczasie Coulthard wyprzedził Panisa i znalazł się na siódmej pozycji. Jako ostatni, drugi postój w tym wyścigu odbył Alesi pod koniec 51 okrążenia. Po postoju tym Francuz na tor powrócił przed partnerem z zespołu – Burtim, na 10 pozycji.

Mniej więcej od tego momentu jadący na drugiej pozycji Michael Schumacher zaczął w swoim bolidzie odczuwać wibrację, która mogła być spowodowana wadą którejś z opon i obawiając się całkowitego jej zniszczenia, Niemiec postanowił zwolnić tempo jazdy. Na trzeci zjazd do boksu nie zdecydował się tylko dlatego, że nad jadącym na trzeciej pozycji Montoyą miał ponad minutę przewagi. Na 55 okrążeniu Button wyprzedził Marquesa i znalazł się na przedostatniej, 15 pozycji. Pięć okrążeń przed końcem wyścigu Coulthard awansował do pierwszej szóstki, po stoczeniu zażartej walki z Heidfeldem. W tym momencie Schumacher miał już ponad 20 sekund straty do Hakkinena. Dwa okrążenia przed końcem wyścigu przewaga Fina nad Niemcem wzrosła do ponad 37 sekund i kiedy wydawało się, że już nic nie jest w stanie odebrać mu zwycięstwa, na ostatnim okrążeniu wysiadło sprzęgło w jego bolidzie, wręcz rozsypało się na drobne kawałki. Kiedy Hakkinen zatrzymał się na poboczu i zaczął wydostawać się z bolidu, minął go Michael Schumacher, który w ten oto szczęśliwy sposób został zwycięzcą Grand Prix Hiszpanii 2001.