Przed rozpoczęciem wyścigu sędziowie wyrazili zgodę na wymianę lewej-przedniej opony w bolidzie Kimi Raikkonena (McLaren), którą Fin przytarł podczas ostrego hamowania na okrążeniu kwalifikacyjnym. Wymiana opony została podyktowana względami bezpieczeństwa. Tymczasem Jacques Villeneuve (Sauber), który pierwotnie zakwalifikował się na 11 pozycji, otrzymał polecenie startu z boksów, bowiem sędziowie dopatrzyli się uchybień proceduralnych, gdy bolid Kanadyjczyka znajdował się w Parc Ferme. Jednocześnie dyrektor wyścigu, Charlie Whiting, ostrzegł zespoły, że w wypadku wyjazdu na tor samochodu bezpieczeństwa celowe spowalnianie kierowców nie będzie więcej tolerowane. Whiting odniósł się tutaj do zastosowanej między innymi przez McLarena w Grand Prix Belgii procedury, umożliwiającej odbycie postojów w trakcie neutralizacji obydwu kierowcom z jednego zespołu bez utraty zbyt wielu miejsc.

Po porannych opadach deszczu tor Interlagos przed rozpoczęciem wyścigu o Grand Prix Brazylii był już niemal całkowicie suchy. W kilku miejscach było jeszcze widać wilgotne miejsca, jednak warunki do jazdy były na tyle dobre, iż wszyscy kierowcy zdecydowali się na start na zwykłych oponach rowkowanych. Pod koniec okrążenia rozgrzewającego do boksów zjechał mający wystartować z 11 pozycji Tiago Monteiro (Jordan), w którego bolidzie przed wyścigiem zostało wymienione sprzęgło. Portugalczyk po uzupełnieniu zapasu paliwa, co wskazywało na to, że do kwalifikacji przystąpił z dosyć małą ilością paliwa, ustawił się w wyjeździe z boksów za Villeneuve'em i wraz z kierowcą Saubera oczekiwał na start.

Fernando Alonso (Renault) i Juan Pablo Montoya (McLaren) wystartowali bardzo dobrze i utrzymali się na czołowych pozycjach. Tymczasem Raikkonen po starcie z piątej pozycji wyprzedził Jensona Buttona (B.A.R), a tuż przed pierwszym zakrętem zaatakował także Giancarlo Fisichellę (Renault) po wewnętrznej. Włoch w tym momencie zdołał jeszcze odeprzeć atak kierowcy McLarena i pod koniec drugiej prostej, gdy ponownie znalazł się pod presją ze strony Raikkonena, także wydawało się, że kontroluje sytuację. Okazało się jednak, że Fisichella zbyt szeroko wszedł w czwarty zakręt (Descida do Lago) i po chwili był już czwarty. Wytrąconego nieco z rytmu kierowcą Renault zaraz przez szóstym zakrętem zaatakował także Michael Schumachera (Ferrari). Niemiec popisał się dosyć udanym startem, wyprzedzając od razu Buttona, a podczas pokonywania sekwencji zakrętów Senna "S" uporał się także z pokonaniem Christiana Kliena (Red Bull). Następnie wykorzystał fakt, że Fisichella musiał ustąpić miejsca Raikkonenowi i po śmiałym ataku z wykorzystaniem krawężnika, na którym omal nie stracił panowania nad swoim bolidem, awansował na czwartą pozycję. Jeśli ktoś myślał, że kierowca Ferrari stracił już wolę walki w tym sezonie, musiał niestety zweryfikować swoje poglądy.

Button i Klien ostatecznie wylądowali kolejno na szóstej i siódmej pozycji, a tuż za nimi znalazł się Rubens Barrichello (Ferrari), wyprzedzając na prostej startowej swojego rodaka, Felipe Massę. Kierowcę Saubera zdołał także pokonać Ralf Schumacher (Toyota), awansując w ten sposób na dziewiątą pozycję. O 11 pozycję na prostej startowej rywalizowali tymczasem kierowcy Williamsa, Mark Webber i Antonio Pizzonia, a także próbujący przecisnąć się pomiędzy nimi David Coulthard (Red Bull). Początkowo Szkot miał wystarczającą ilość wolnego miejsca i trudno zarzucić mu, że zdecydował się na atak środkiem. Webber nie zauważył go jednak w lusterku i zaczął zjeżdżać na prawą stronę, gdyż jak się później tłumaczył, chciał ominąć kałużę. Coulthard próbował wykonać unik, ale problem polegał na tym, że po jego prawej stronie znajdował się Pizzonia. Doszło do kontaktu, w wyniku którego bolid Pizzonii wpadł w poślizg, a następnie uderzył w bok drugiego Williamsa. Wszystkie trzy bolidy zostały poważnie uszkodzone, przy czym Webber nadal miał wszystkie koła i postanowił dojechać do boksów, natomiast Coulthard i Pizzonia zakończyli od razu jazdę.

Z całego zdarzenia najbardziej skorzystał Takuma Sato (B.A.R), który ze względu na nie zaliczenie okrążenia kwalifikacyjnego, a także wymianę silnika wystartował z ostatniej pozycji, a za pierwszym zakrętem był już jedenasty. Za Japończykiem znaleźli się Webber, Narain Karthikeyan (Jordan), kierowcy Minardi, Christijan Albers i Robert Doornbos, Jarno Trulli (Toyota), Villeneuve i Monteiro. Trulli, który ze względu na wymianą silnika przed kwalifikacjami musiał wystartować z 17 pozycji, z wielkim trudem ominął obracający się bolid Pizzonii, ale zdołał uniknąć uszkodzenia bolidu i po chwili wyprzedził Doornbosa, awansując w ten sposób na 15 pozycję. Tymczasem organizatorzy wyścigu zdecydowali się na wypuszczenie na tor samochodu bezpieczeństwa, by porządkowi mogli w spokoju uprzątnąć odłamki bolidów. Webber po znalezieniu się w boksach szybko wysiadł ze swojego auta, gdyż zaczęły wydobywać się z niego kłęby dymu. Mechanicy Williamsa po ugaszeniu niewielkiego pożaru zapchali bolid Australijczyka do boksów i wydawało się, że więcej nie zobaczymy go już w tym wyścigu.

Wznowienie wyścigu nastąpiło pod koniec drugiego okrążenia. Alonso dosyć długo zwlekał z rozpędzeniem się i kilkakrotnie hamując na ostatniej prostej próbował jakoś zgubić Montoyę. Kolumbijczyk o mały włos nie wpadł w pewnym momencie na kierowcę Renault, ale tak czy inaczej nie stracił z nim kontaktu i wydawało się, że zaatakuje go przed pierwszym zakrętem. Tymczasem Hiszpan postanowił opóźnić bardzo hamowanie i zbyt szeroko wszedł w pierwszy zakręt, umożliwiając Montoi atak po zewnętrznej stronie trzeciego zakrętu. Co prawda zakończył się on niepowodzeniem, ale kolejna próba wyprzedzenia pod koniec drugiej prostej zakończyła się już pełnym sukcesem i kierowca McLarena objął prowadzenie. Ponadto moment wznowienia wyścigu do poprawy swojej pozycji wykorzystali Fisichella i Trulli, wyprzedzając jadących odpowiednio na 4 i 13 pozycji Michaela Schumachera oraz Doornbosa.

Po 10 okrążeniach przewaga Montoi na Alonso wynosiła niewiele ponad cztery sekundy. Jadący na trzeciej pozycji Raikkonen miał niespełna dwie sekundy straty do kierowcy Renault, a nieznacznie większe odstępy czasowe oddzielały trzech kolejnych kierowców: Fisichellę, Michaela Schumachera i Buttona. Tuż za Brytyjczykiem cały czas podążali Klien i Barrichello, natomiast zamykający pierwszą dziesiątkę Ralf Schumacher i Massa mieli już blisko 20 sekund straty do lidera. Na 14 okrążeniu po długiej walce Trulli wyprzedził w końcu jadącego przed nim od drugiego okrążenia Karthikeyana i awansował na 12 pozycję. Pięć okrążeń później Massa zapoczątkował pierwszą rundę postojów w boksach. Następnie pierwsze tankowanie paliwa w tym wyścigu zaliczyli Karthikeyan i Albers. W międzyczasie doszło do rozstrzygnięcia batalii pomiędzy mistrzem świata z 1997 roku, Villeneuve'em i jednym z kierowców Minardi, Doornbosem, która toczyła się od blisko 20 okrążeń.

Do 27 okrążenia włącznie pierwsze postoje mieli już zaliczone wszyscy kierowcy z wyjątkiem Montoi (P1), Raikkonena (P2), Sato (P6), Trullego (P8) i Villeneuve'a (P12). Montoya miał w tym momencie pięć sekund przewagi nad Raikkonenem, natomiast na trzech kolejnych pozycjach znaleźli się Alonso, Michael Schumacher i Fisichella. Ten ostatni ze względu na wcześniejszy o trzy okrążenia postój w stosunku do kierowcy Ferrari stracił zajmowaną dotąd czwartą pozycję. Tuż za Sato na siódmej pozycji chwilo podążał Button, natomiast pomiędzy Trullim i Villeneuve'em znaleźli się Barrichello, Klien i Ralf Schumacher. Barrichello pomimo wcześniejszego postoju zdołał przeskoczyć Kliena, a to oznaczało, że po pierwszych wizytach w boksach Sato i Trullego awansuje na siódmą pozycję. Stawkę 18 kierowców po 27 okrążeniach zamykali Massa, Albers, Karthikeyan, Doornbos, Monteiro i Webber, który po trwającej ponad pół godziny naprawie bolidu powrócił w międzyczasie do wyścigu.

Pod koniec 28 okrążenia pierwszy postój w boksach odbył dotychczasowy lider wyścigu, Montoya. Kolumbijczyk po powrocie na tor znalazł się tymczasowo za Raikkonenem na drugiej pozycji. Fin pierwsze tankowanie paliwa zaliczył z kolei na 31 okrążeniu i choć po powrocie na tor znalazł się ponownie na drugiej pozycji, to jednak jego strata do Montoi zmalała do mniej niż dwóch sekund. Obaj kierowcy McLarena po 31 okrążeniach mieli około 10 sekund przewagi nad Alonso i wszystko wskazywało na to, że Hiszpan będzie musiał zadowolić się przypieczętowaniem mistrzostwa najniższym stopniem podium. Na 32 okrążeniu w boksach po raz pierwszy pojawił się Trulli. Kierowca Toyoty w trakcie postoju został wyprzedzony przez Barrichello, Kliena, Ralfa Schumachera oraz Villeneuve'a i spadł na 12 pozycję.

Ostatni kierowcy nie mający dotąd ani jednego postoju na swoim koncie, Villeneuve i Sato, pierwsze tankowanie paliwa zaliczyli niemal dokładnie w połowie wyścigu (odpowiednio na 35 i 37 okrążeniu), przy czym tylko Sato stał na stanowisku serwisowym wystarczająco długo, aby można było przypuszczać, że jest to zarazem jego ostatni postój. Japończyk w trakcie postoju został wyprzedzony przez Buttona, Barrichello, Kliena oraz Ralfa Schumachera i spadł się na 10 pozycji, natomiast Villeneuve znalazł się za Trullim i Massą na 13 pozycji. W międzyczasie drugi postój w boksach zaliczył jadący dotąd na 15 pozycji Karthikeyan. Postój ten podyktowany był koniecznością wymiany przytartej podczas ostrego hamowania opony i kosztował Hindusa utratę jednego miejsca na rzecz Monteiro. Tymczasem wyciek oleju wyeliminował z walki na 35 okrążeniu jadącego dotąd na 16 pozycji Doornbosa.

Na 44 okrążeniu Barrichello wyprzedził po długiej walce swojego przyszłorocznego partnera, Buttona i awansował na szóstą pozycję. Dwa okrążenia później drugą i zarazem ostatnią rundę rutynowych postojów zapoczątkował Albers. Trwała ona do 59 okrążenia włącznie, kiedy to swój ostatni postój zaliczył Raikkonen. Tym razem Fin aż pięć okrążeń później zjechał do boksów w stosunku do Montoi i mimo to nie udało mu się awansować na pierwszą pozycję. W istocie druga runda postojów przyniosła bardzo niewiele zmian w kolejności kierowców. Ralf Schumacher dzięki późniejszemu o jedno okrążenie postojowi przeskoczył Kliena i awansował na ostatnią pozycję punktowaną, natomiast kierowcy Saubera znaleźli się przed Trullim kolejno na 11 i 12 pozycji. Stawkę 16 kierowców zamykali Albers, Karthikeyan i Webber, a tymczasem jazdy nie kontynuował już Monteiro, którego z walki wyeliminowała awaria silnika.

Ostatnim wydarzeniem w tegorocznej Grand Prix Kanady była awaria układu pneumatycznego w bolidzie Trullego na ostatnim okrążeniu. Mimo to Włoch został sklasyfikowany na 13 pozycji, a tymczasem jego zeszłoroczny partner, Alonso, finiszując na trzeciej pozycji zapewnił sobie pierwszy tytuł mistrzowski.