V letech 1948-49 jezdil s MG TC v místních závodech. Potom se vypravil do Anglie a získával zkušenosti v Jaguaru. Poté, co se vrátil do USA, začal intenzivněji závodit a v letech 1952-53 pravidelně startoval např. v Carrera Panamericana.
Ve dvojici s Carolem Shelbym a jejich Ferrari 750 Monza dojeli druzí v závodě 12 hodin na Sebringu v roce 1955 a startoval také v toho roku tragických 24 hodin Le Mans, kde s Umbertem Magliolim řídil Ferrari 118 LM. Po sedmi hodinách však selhalo chlazení a to znamenalo konec.
O rok později se Phil přidal k továrnímu týmu Ferrari a s Mauricem Trintignantem vyhráli závod ve Švédsku a o rok později s Peterem Collinsem ve Venezuele. Na debut v F1 si musel počkat další dva roky, mezitím si však získával stále větší respekt ve vytrvalostních závodech. Skvělou sezonu měl v roce 1958, když nejprve on a Peter Collins dovezli do cíle své Ferrari 250TR na prvním místě v závodě 1000km Buenos Aires, vyhráli také 12 hodin na Sebringu a Hill ještě společně s Olivierem Gendebienem ovládl Le Mans a stal se prvním Američanem, který tam kdy vyhrál.
V F1 Phil debutoval v červnu téhož roku ve Francii, kde dojel sedmý. Jeho úkolem bylo hlavně krýt záda Miku Hawthornovi, který útočil na titul. To se mu nakonec podařilo a Angličan ho získal o bod před Stirlingem Mossem. Hill si v posledních dvou závodech sezony připsal velmi dobrá druhá místa.
V roce 1959 zaznamenal výrazné zlepšení a po dvou druhých místech a jednom třetím mu na konci sezony patřilo čtvrté místo. Na Sebringu navíc získal druhý triumf v řadě, když s Chuckem Daighem, Danem Gurneym a Olivierem Gendebienem vsadili na Ferrari Testa Rossa.
První Velkou cenu v F1 Phil vyhrál v roce 1960 v Itálii s Dinem 246. A to ve velkém stylu, když získal také pole position a zajel rekordní kolo. Ve vytrvalostních závodech exceloval dál a získal své druhé vítězství v 1000 km Buenos Aires, tentokrát s Cliffem Allisonem a opět v Testa Rosse.
V roce 1961 Ferrari přišlo s 1.5 litrovým Dinem 156 a Hill zažíval skvělou sezonu, která byla hlavně velkým soubojem s týmovým kolegou Wolfgangem von Tripsem. Závod v Monze, před kterým von Trips vedl o čtyři body, se však změnil v tragédii, když Němcovo Ferrari po kolizi s Jimem Clarkem vyjelo z trati a vedle svého řidiče zabilo patnáct diváků. Závod však nebyl přerušen a Hill si dojel pro první místo a také titul mistra světa. Tohle pro něj také bylo poslední vítězství v F1. Ve stejné sezoně si dokázal připsat ještě třetí výhru na Sebringu opět s Gendebienem a také své druhé prvenství v Le Mans.
Američan zářil i v následující sezoně – s Gendebienem tentokrát vyhráli 1000km na Nürburgringu a následně již potřetí v Le Mans, tentokrát s 330 LM. V F1 to ale bylo úplně o něčem jiném. Ferrari nezvládalo držet krok s technologickým pokrokem. Phill nevyhrál ani jeden závod a obhajoba titulu skončila až šestým místem.
Na konci sezony odešel z Ferrari a následující rok jezdil za ATS, ale auto bylo příšerné a za celou sezonu dokončil v podstatě jen jeden závod. V roce 1964 to Hill zkoušel v Cooperu, ale s T73 ani T76 mu nic nevycházelo a nejlepším výsledkem sezony pro něj bylo šesté místo v britské VC. Poslední závod kariéry v F1 jel v roce 1966 v Itálii, ale nedokončil.
Poslední roky Hillovy kariéry ve Formuli 1 za moc nestály, ale jinak Phil nezpomaloval. V roce 1965 opět zvítězil v tisícovce na Nürburgringu v týmu s Jo Bonnierem, o rok později vyhrál závod Can-Am na Laguna Seca a v roce 1967 šestihodinovku v Brands Hatch.
Po konci kariéry založil firmu na restaurování veteránů, kde působil až do roku 1995. Phil Hill zemřel 28. srpna 2008 v kalifornii ve věku 81 let.
