En marzo de 2016, se anunció que Leclerc sería uno de los dos conductores de la Academia de pilotos de Ferrari y que sería piloto de desarrollo para Haas F1 Team y Scuderia Ferrari. Como parte de su papel como tercer piloto, Leclerc participó en la carreras sesión de prácticas de 4 GGPP en la temporada.
En septiembre del año siguiente se confirmó que el monegasco remplazaría a Marcus Ericsson en Sauber en los libres de Malasia, Estados Unidos, México y Brasil.
Sauber (2018)
Tras finalizar la temporada 2017 de Fórmula 1, se dio a conocer la asociación de la compañía italiana Alfa Romeo con el equipo Sauber, y pocos días después se presentó el monoplaza de 2018, junto a sus dos próximos pilotos: Marcus Ericsson y Leclerc, este remplazando a Pascal Wehrlein.
Con un gran inicio en la temporada, Charles logró en tan solo 8 carreras igualar a su compañero Marcus Ericsson en puntos (considerando que tiene 83 carreras, mientras Leclerc 8). Debido a esto y entre otras cosas (como llegar a la Q3 y calificando como 8° en Francia o su 6° lugar en Azerbaiyán), rumores lo apuntan a una llegada a la Scuderia Ferrari.
Volvió a sumar en el Red Bull Ring, en un 9-10 de Sauber, que no puntuaba con sus dos pilotos desde inicios 2015.
Ferrari (2019 – Actual)
Charles es compañero de Sebastian Vettel y sustituto de Kimi Räikkönen en la Scuderia Ferrari a partir de 2019. Es el segundo piloto más joven de la historia en correr con Ferrari, solo detrás de Ricardo Rodríguez, que lo hizo con menos de 20 años en 1961.
El 30 de marzo, y después de haber dominado las prácticas libres 1 y 3, Leclerc se llevó la pole position en el Gran Premio de Baréin con un tiempo de 1’ 27” 866, a 294 milésimas de su compañero Sebastian Vettel y rompiendo el récord de pista. En carrera, tuvo un problema de motor y terminó tercero, subiendo así su primer podio en la categoría. Tras tres carreras consecutivas siendo quinto, en su Gran Premio de casa tuvo un choque intentando remontar desde los últimos lugares, lo que le obligó a abandonar. En Canadá y Francia, Leclerc finalizó tercero.
En Austria volvió a hacer la pole el sábado, pero en carrera fue superado por Max Verstappen. En una maniobra de adelantamiento del de Red Bull a Leclerc, ambos monoplazas se chocaron, pero la FIA, dos horas después de haber finalizado el Gran Premio, determinó que era válida.
Sumó su cuarto podio al hilo en Gran Bretaña, pero en Alemania abandonó por un despiste en superficie mojada. Dos carreras más tarde, en el GP de Bélgica, Leclerc hizo la pole y finalmente ganó su primera carrera en la categoría y la primera de un piloto monegasco, siendo líder en la mayor parte de las vueltas. Las celebraciones de su primera victoria se vieron afectadas por la muerte de Anthoine Hubert el día sábado en la carrera de Fórmula 2. Una semana después consiguió su cuarta pole de la temporada en el circuito de Monza, que le serviría para amarrar la victoria al día siguiente (la primera de Ferrari en Italia desde 2010). En Singapur largó en la primera posición nuevamente, pero perdió la carrera con su compañero Vettel, y en Rusia la cuarta pole consecutiva significó la primera vez que un piloto de Ferrari logró este hecho desde 2001 (esa vez Michael Schumacher). Finalmente, terminó cuarto en el campeonato con 264 que incluyeron 7 poles, 2 victorias y 10 podios.
Leclerc tiene contrato con Ferrari hasta la temporada 2024.
El piloto monegasco se encontró en 2020 con un Ferrari que se mostraba claramente menos competitivo que años anteriores, pero aun así, en la primera carrera de la temporada en Austria, combinando algo de fortuna con una gran determinación en sus adelantamientos, logró finalizar en una excelente segunda plaza, beneficiándose de una sanción a Lewis Hamilton. En las dos carreras siguientes, el monegasco no agregó más puntos a su casillero tras un accidente con su compañero Sebastian Vettel en Estiria y de sufrir mucho con las gomas blandas en Hungría. Sin embargo, se rehízo rápidamente logrando su segundo podio de la temporada en Gran Bretaña, una tercera posición beneficiado por el pinchazo de Valtteri Bottas en los últimos giros. Una semana después, en el mismo trazado, remontó desde el octavo puesto de salida hasta el cuarto.
En el 2021, Leclerc empezó una nueva etapa con Carlos Sainz que sustituye a Vettel. Este mismo año en el Gran Premio de Mónaco, consigue la pole, pero no consigue ni siquiera disputar la carrera al día siguiente por un problema en su monoplaza. Leclerc había chocado en la clasificación tras marcar el mejor registro y esto dañó el palier del Ferrari SF21. Sainz largó tercero y finalizó segundo por detrás de Verstappen. En la siguiente carrera, en Bakú, Leclerc obtuvo otra pole, beneficiado por una bandera roja antes del final de la sesión. En la carrera, Leclerc perdió rápidamente el liderato y terminó cuarto.
En el Gran Premio de Australia de 2022 logró su primer Grand Chelem de su historial en la categoría.
En el Gran Premio de Azerbaiyán de Fórmula 1 de 2023, se implementó un nuevo formato de competencia que incluyó clasificatorios los viernes, una «qualy» para la carrera sprint y la carrera sprint el sábado, y el Gran Premio el domingo. En la primera sesión de actividades de este nuevo programa, Charles Leclerc de Ferrari logró la pole position, asegurando su lugar al frente de la parrilla para la carrera sprint y el Gran Premio. Además, esta fue la tercera pole consecutiva de Leclerc en Baku y su primera pole del año 2023.
