スペインGP決勝は66周で争われた。ハミルトンがポールポジションからスタートしたが、ベッテルが素早くイン側を取り、1コーナーの手前で前に出た。しかし、1周目に複数台が絡む接触が発生し、レースの展開が乱れた。ライコネンとフェルスタッペンが接触してリタイアし、ボッタスのメルセデスもこの接触に関わった。
7番手からスタートしたアロンソはマッサと接触し、コース外側へはみ出した。2人とも走行を続け、最終的にアロンソが12位、マッサが13位となった。別の1周目のアクシデントでは、ボッタス、ライコネン、フェルスタッペンの間で接触が起きた。後者2人はサスペンションに損傷を負い、その場でリタイアした。
ベッテルは序盤にリードを築き、早めのピットインでハミルトンを抑えようとした。メルセデスはハミルトンの第1スティントを延ばし、レース後半により新しいタイヤで追い上げる戦略を採った。タイトルを争う2人の戦略の違いにより、首位を巡る攻防が続いた。
34周目にバンドーンが1コーナーでマッサと接触し、ランオフエリアに停止したため、バーチャルセーフティカーが導入された。バンドーンはリタイアしたが、マッサは走行を続けて完走した。この中断は各チームのピットインのタイミングに影響し、ハミルトンがベッテルに迫る機会にもなった。
ボッタスは39周目にパワーユニットの故障でリタイアした。一方、ハミルトンはバーチャルセーフティカー中のピットインでベッテルとの差を縮め、ソフトタイヤに交換してからもプレッシャーをかけ続けた。メルセデスの優勝への望みはハミルトンに託された。

44周目にハミルトンがDRSを使い、メインストレートの終わりでベッテルを抜いて首位を奪い返した。それ以前にも2人は1コーナーで横に並んで争い、ベッテルが一時はポジションを守ったが、その後ハミルトンが決定的なオーバーテイクを決め、徐々に余裕のある差を築いた。
ハミルトンは1時間35分56秒497でフィニッシュし、ベッテルに3.490秒差をつけてシーズン2勝目を挙げた。リカルドは75.820秒差の3位で、シーズン初表彰台を獲得した。ペレス、オコン、ヒュルケンベルグ、地元スペインのサインツも7位以内に入った。
下の表にF1公式の決勝最終順位とポイントを掲載している。ウェーレインはピット入口のボラードに関する規則に従わなかったため5秒のペナルティを受けたが、8位を維持した。ボッタス、バンドーン、フェルスタッペン、ライコネンはいずれもリタイア扱いとなった。アロンソは12位、マッサは13位で完走した。
| 順位 | ドライバー | チーム | タイム/差 | ポイント |
|---|---|---|---|---|
| 1 | ルイス・ハミルトン | メルセデス | 1:35:56.497 | 25 |
| 2 | セバスチャン・ベッテル | フェラーリ | 66周、+3.490s | 18 |
| 3 | ダニエル・リカルド | レッドブル | 66周、+75.820s | 15 |
| 4 | セルジオ・ペレス | フォース・インディア | 65周、+1周 | 12 |
| 5 | エステバン・オコン | フォース・インディア | 65周、+1周 | 10 |
| 6 | ニコ・ヒュルケンベルグ | ルノー | 65周、+1周 | 8 |
| 7 | カルロス・サインツ | トロロッソ | 65周、+1周 | 6 |
| 8 | パスカル・ウェーレイン | ザウバー | 65周、+1周 | 4 |
| 9 | ダニール・クビアト | トロロッソ | 65周、+1周 | 2 |
| 10 | ロマン・グロージャン | ハース | 65周、+1周 | 1 |
| 11 | マーカス・エリクソン | ザウバー | 64周、+2周 | 0 |
| 12 | フェルナンド・アロンソ | マクラーレン | 64周、+2周 | 0 |
| 13 | フェリペ・マッサ | ウィリアムズ | 64周、+2周 | 0 |
| 14 | ケビン・マグヌッセン | ハース | 64周、+2周 | 0 |
| 15 | ジョリオン・パーマー | ルノー | 64周、+2周 | 0 |
| 16 | ランス・ストロール | ウィリアムズ | 64周、+2周 | 0 |
| リタイア | バルテリ・ボッタス | メルセデス | DNF | 0 |
| リタイア | ストフェル・バンドーン | マクラーレン | DNF | 0 |
| リタイア | マックス・フェルスタッペン | レッドブル | DNF | 0 |
| リタイア | キミ・ライコネン | フェラーリ | DNF | 0 |