Michael Schumacher wystartował bardzo dobrze i bez problemu utrzymał się na prowadzeniu, natomiast drugi kierowca Ferrari – Rubens Barrichello na chwilę znalazł się pod presją ze strony Davida Coultharda, jednak pod koniec prostej startowej zdołał ponownie wysunąć się przed kierowcę z zespołu McLaren i dzięki temu utrzymał się na drugiej pozycji. O czwartą pozycję tuż po starcie walczyli między sobą kierowcy z zespołu Williams – Juan Pablo Montoya i Ralf Schumacher. Z pojedynku tego zwycięsko wyszedł młodszy z braci Schumacherów, spychając Kolumbijczyka na piątą pozycję. Startujący z szóstej pozycji partner Coultharda – Kimi Raikkonen przed pierwszym zakrętem został wyprzedzony Jarna Trullego (Renault), który chwilę wcześniej tuż po ruszeniu z miejsca wyminął również Jacquesa Villeneuve'a (BAR). Podczas pokonywania trzeciego zakrętu Raikkonen miał jeszcze niewielką szansę na odzyskanie szóstej pozycji, ale nie zdołał jej wykorzystać. Villeneuve poza utratą siódmej pozycji na rzecz Trullego był również bliski utraty kolejnej pozycji na rzecz Giancarla Fisichelli (Jordan) pod koniec prostej startowej, jednak Włoch zbyt wcześnie rozpoczął hamowanie przed pierwszym zakrętem i w efekcie został wyprzedzony przez Nicka Heidfelda (Sauber), który w ten sposób awansował na dziewiątą pozycję. Fisichella tymczasem musiał jeszcze odeprzeć atak Jensona Buttona (Renault), który ze względu na bardzo dobry start przed pierwszym zakrętem zdołał wyprzedzić Eddiego Irvine'a (Jaguar) i Oliviera Panisa (BAR), a podczas pokonywania tego zakrętu także i Heinza-Haralda Frentzena (Sauber). Następnie po zewnętrznej stronie drugiego zakrętu próbował właśnie wyprzedzić kierowcę z zespołu Jordan, jednak ten zmusił go do zjechania prawymi kołami na pobocze i ze względu na chwilowe kłopoty z opanowaniem bolidu Button został wyprzedzony przez Frentzena, który w ten sposób odzyskał 11 pozycję. Oprócz Buttona Panisa i Irvine'a tuż po starcie wyprzedzili również Takuma Sato (Jordan) i Allan McNish (Toyota), awansując w ten sposób kolejno na 13 i 14 pozycję. Irvine natomiast ostatecznie wylądował na 15 pozycji, gdyż jemu również udało się wyminąć Panisa, który ponadto został jeszcze wyprzedzony przez drugiego kierowcę Toyoty – Mikę Salo i znalazł się na 17 pozycji, tracąc w ten sposób aż pięć miejsc. Startujący pierwotnie z 17 pozycji Pedro de la Rosa (Jaguar) także miał niezbyt udany start, gdyż oprócz Salo został również wyprzedzony przez Marka Webbera i spadł na przedostatnią pozycję, tuż przed drugiego kierowcę z zespołu Minardi – Alexa Yoonga.

Na drugiej pod względem długości prostej, znajdującej się wewnątrz owalnego toru Indianapolis Yoong wyprzedził de la Rosą i awansował na 19 pozycję. Pod koniec pierwszego okrążenia Montoya zaatakował zespołowego partnera – Ralfa Schumachera i obaj kierowcy jadąc obok siebie dotarli aż do pierwszego zakrętu, przy czym Kolumbijczyk znajdował się po zewnętrznej stronie. Kiedy obaj kierowcy zaczęli pokonywać ten zakręt, bolid młodszego z braci Schumacherów wpadł nagle w poślizg i uderzył tylnym skrzydłem w bolid Montoi. Po przeanalizowaniu powtórek z dwóch różnych ujęć niestety nie można jednoznacznie stwierdzić, czy poślizg ten był spowodowany zbytnim opóźnieniem hamowania przed pierwszym zakrętem lub zbyt gwałtownym najechaniem na krawężnik, czy też ewentualnym otarciem się kół o bolid partnera, choć wydaje się to mniej prawdopodobne. Tak czy inaczej w wyniku kolizji obaj kierowcy znaleźli się na poboczu, przy czym Montoya po linii prostej dosyć szybko powrócił na tor, natomiast z bolidu Ralfa Schumachera odpadł tylny spojler i Niemiec dopiero po zakończeniu piruetu mógł wrócić na tor, ale był już w tym momencie ostatni. Montoyę incydent ten kosztował utratę trzech pozycji, gdyż przed powrotem na tor został on wyprzedzony przez Trullego, Raikkonena oraz Villeneuve'a i znalazł się na siódmej pozycji, ale przynajmniej bolid Kolumbijczyka wydawał się być nienaruszony. W trakcie drugiego okrążenia dodatkowo nastąpiły jeszcze dwie zmiany w kolejności kierowców: Salo awansował na 14 pozycję po wyprzedzeniu Irvine'a, natomiast Sato po wyminięciu Buttona pod koniec drugiej prostej znalazł się na 11 pozycji. Pod koniec drugiego okrążenia Ralf Schumacher zjechał do boksów po nowy tylny spojler i po trwającym ponad minutę postoju powrócił do wyścigu ze stratą jednego okrążenia do lidera.

Na początku czwartego okrążenia Salo wyprzedził zespołowego partnera – McNisha i awansował na 13 pozycję. Fin co prawda opóźnił zbytnio hamowanie przed pierwszym zakrętem i podczas pokonywania kolejnego zakrętu był bliski powrotu na 14 pozycję, jednak McNish rozsądnie postanowił nie wdawać się w zbyt zaciętą walkę z zespołowym partnerem, która mogłaby skończyć się podobnie jak w przypadku kierowców z zespołu Williams. Na początku siódmego okrążenia Sato próbował wyprzedzić Frentzena pod koniec prostej startowej, jednak ewidentnie spóźnił się z hamowaniem i pierwszy zakręt musiał pokonać poboczem. Frentzen także miał kłopoty z pokonaniem pierwszego zakrętu i w efekcie obaj kierowcy zostali wyprzedzeni przez jadącego tuż za nimi Buttona, który w ten sposób awansował do pierwszej dziesiątki. Sato na tor powrócił tuż za Frentzenem, ale wkrótce zdołał zrównać się z bolidem Niemca podczas pokonywania jednego z ciaśniejszych zakrętów i w ten sposób odzyskał 11 pozycję, natomiast Frentzen w sumie stracił aż dwa miejsca. Na 12 okrążeniu dwa miejsca stracił również Irvine, gdyż został wyprzedzony przez Panisa oraz Webbera i spadł na 17 pozycję. Na kolejnym okrążeniu kłopoty z silnikiem zaczął mieć jadący na piątej pozycji Raikkonen. W silniku tym przestał pracować jeden z cylindrów i z tego powodu Fina z łatwością wyprzedził Villeneuve. Na 15 okrążeniu partner Kanadyjczyka – Panis wyprzedził McNisha i awansował na 14 pozycję. Dwa okrążenia później Raikkonena wyprzedził również Montoya, wypychając w ten sposób kierowcę z zespołu McLaren poza pierwszą szóstkę. Na 19 okrążeniu Irvine wyprzedził Webbera i znalazł się na 16 pozycji.

Pod koniec 21 okrążenia na odbycie pierwszego postoju w boksach zdecydował się Panis. Francuz podczas postoju został wyprzedzony przez McNisha, Irvine'a, Webbera, Yoonga oraz de la Rosę i po powrocie na tor znalazł się na przedostatniej (19) pozycji. Na kolejnym okrążeniu de la Rosa wyprzedził Yoonga i awansował na 17 pozycję. Od 25 do 30 okrążenia tankowanie paliwa i zmianę opon zaliczyli następujący kierowcy: Villeneuve, Sato, Salo, Michael Schumacher, Barrichello, Heidfeld, Trulli, Button i Frentzen. Większość z nich zdecydowała się na dwustopową strategię, natomiast kierowcy z zespołu Renault w boksach stali na tyle długo, iż najprawdopodobniej były to ich jedyne postoje w tym wyścig. W międzyczasie awaria silnika wyeliminowała z wyścigu de la Rosę. Po tej serii postojów kolejność pierwszej trójki była bez zmian – na prowadzeniu nadal znajdowali się kierowcy Ferrari – Michael Schumacher i Barrichello, a tuż za nimi podążał Coulthard. Trulli i Villeneuve w trakcie postojów zostali wyprzedzeni przez Montoyę, Raikkonena oraz Fisichellę i po powrocie na tor znaleźli się kolejno na siódmej i ósmej pozycji. Kanadyjczyk na początku 30 okrążenia próbował co prawda wyprzedzić kierowcę Renault, jednak opóźnił zbytnio hamowanie przed pierwszym zakrętem i pozostał na ósmej pozycji. Heidfeld w trakcie postoju również został wyprzedzony przez Fisichellę i na tor powrócił tuż za Villeneuve'em, natomiast na 10 i 11 pozycję awansowali McNish i Irvine. Sato dzięki krótszemu postojowi zdołał przeskoczyć Buttona i po powrocie na tor znalazł się na 12 pozycji, natomiast Frentzen w trakcie postoju został wyprzedzony przez Webbera i spadł na 15 pozycję. Ostatni kierowca, który zaliczył wizytę w boksach podczas tej serii postojów – Salo stracił aż cztery miejsca i po powrocie na tor znalazł się na 17 pozycji.

Na 32 okrążeniu do boksów zjechał Montoya, jednak o dziwo mechanicy z zespołu Williams nie spodziewali się jeszcze w tym momencie postoju i w wielkim pośpiechu wybiegli z garażu, aby przygotować się na przybycie kierowcy. Powodem całego zamieszania była pomyłka ze strony Kolumbijczyka, któremu podczas ostatniego przejazdu przez prostą startową wydawało się, że widzi tablicę nakazującą zjazd do boksów. Na szczęście mechanicy bez żadnej zwłoki zdołali obsłużyć Montoyę i jedyny problem polegał na tym, iż teraz miał on w baku dosyć dużą ilość paliwa, gdyż postój ten miał się odbyć dopiero za około 10 okrążeń. Tak czy inaczej kierowca z zespołu Williams na tor powrócił na szóstej pozycji, a przed nim znaleźli się w tym momencie Raikkonen i Fisichella. Na 33 okrążeniu Irvine wyprzedził McNisha i awansował do pierwszej dziesiątki, natomiast Salo wyprzedził Yoonga i znalazł się na 17 pozycji. Na kolejnym okrążeniu Trulli został w końcu wyprzedzony przez Villeneuve'a i spadł na ósmą pozycję. W połowie całego dystansu wyścigu na 37 okrążeniu jedyny zaplanowany na ten wyścig postój w boksach odbył Fisichella. Włoch w trakcie tego postoju został wyprzedzony przez Montoyę, Villeneuve'a, Trullego oraz Heidfelda i po powrocie na tor znalazł się ponownie na dziewiątej pozycji. Na 40 okrążeniu jadący do tej pory na 14 pozycji Webber wycofał się z wyścigu ze względu na awarię układu hydraulicznego.

Od 41 do 44 okrążenia jedyne zaplanowane na ten wyścig postoje odbyli również Yoong, Coulthard, McNish, Raikkonen, Irvine i Ralf Schumacher. Coulthard po powrocie na tor nadal był trzeci, natomiast Raikkonen w trakcie postoju został wyprzedzony przez Montoyę oraz Villeneuve'a i spadł na szóstą pozycję. Irvine'a i McNisha wyprzedzili tymczasem aż czterej kierowcy: Sato, Button, Frentzen oraz Salo i Irlandczyk na tor powrócił na 14 pozycji, natomiast McNish wraz z Yoongiem został ponadto wyprzedzony przez Panisa, który w ten sposób awansował na 15 pozycję. Ralf Schumacher po postoju był nadal ostatni. Na 46 okrążeniu Salo został wyprzedzony przez Irvine'a oraz Panisa i spadł na 15 pozycję. Trzy okrążenia później awaria silnika wyeliminowała z wyścigu Yoonga. Drugą rundę postojów na 49 okrążeniu zapoczątkowali dwaj niemieccy kierowcy – Michael Schumacher i Heidfeld. Na przestrzeni trzech kolejnych okrążeń w boksach zatrzymywali się również Barrichello, Frentzen, Panis, Villeneuve, Sato i Salo. W międzyczasie kolejna awaria silnika wyeliminowała również z walki jadącego do tego momentu na szóstej pozycji Raikkonena. Po tej serii postojów liderem wyścigu był nadal Michael Schumacher, natomiast Villeneuve w trakcie postoju został wyprzedzony przez Trullego i spadł na szóstą pozycję. Przed Heidfeldem na siódmej i ósmej pozycji znaleźli się kolejno Fisichella i Button, natomiast Irvine awansował do pierwszej dziesiątki, przeskakując zarówno Sato, jak i Frentzena. Kierowcę z zespołu Sauber ponadto wyprzedził również Panis, spychając w ten sposób Niemca na 13 pozycję, natomiast Salo, McNish i Ralf Schumacher zamykali całą stawkę.

Przez ostatnie 20 okrążeń poza jednym wyjątkiem nie nastąpiła już żadna zmiana w kolejności kierowców. Wyjątek ten stanowiła dosyć niespodziewana zmiana lidera tuż przed linią mety na ostatnim okrążeniu. Podczas pokonywania zakrętu prowadzącego na prostą startową Michael Schumacher specjalnie trochę zwolnił, pozwalając w ten sposób zespołowemu partnerowi zrównać się ze sobą. I tak dwójka kierowców Ferrari jadąc obok siebie zmierzała w kierunku linii mety, przy czym Barrichello najwyraźniej mocniej nacisnął na pedał gazu, gdyż w momencie przekraczania tej linii miał dosłownie kilkucentymetrową przewagę nad pięciokrotnym mistrzem świata, która zapewniła mu piąte zwycięstwo w karierze. W ten oto dziwny sposób zakończyła się tegoroczna edycja Grand Prix Stanów Zjednoczonych.