Sur le circuit semi-permanent de l’Albert Park, la pluie fait son apparition dix minutes avant le départ de la course. Sebastian Vettel, en pole position réussit son envol, au contraire de son coéquipier Mark Webber qui se fait passer par Felipe Massa. Robert Kubica prend un très bon départ et pointe en quatrième position au premier virage. Derrière, Fernando Alonso, légèrement touché par Jenson Button, part en tête-à-queue et heurte la monoplace de Michael Schumacher qui doit repasser par son stand pour changer son aileron avant endommagé. Alonso et Schumacher repartent en queue de peloton.
Kamui Kobayashi perd peu après son aileron avant en pleine ligne droite et percute le rail de sécurité avant de revenir sur la piste où il heurte violemment Sébastien Buemi et Nico Hülkenberg. Les trois pilotes abandonnent et la voiture de sécurité fait son apparition à l’entame du second tour de l’épreuve. Après plusieurs tours de neutralisation, les dix premiers sont Vettel, Massa, Webber, Kubica, Nico Rosberg, Button, Lewis Hamilton, Adrian Sutil, Rubens Barrichello et Vitaly Petrov.
À la relance, Kubica tente sans succès de prendre le meilleur sur Webber. Fernando Alonso remonte rapidement vers les avant-postes, imité par Schumacher qui a néanmoins plus de mal à se défaire de Timo Glock. La piste s'asséchant, Button fait le pari de chausser des pneus slicks et est le premier à rentrer, au sixième tour, alors que la piste est encore humide. Au neuvième tour, les autres équipes suivent la stratégie McLaren et rappellent leurs pilotes aux stands. Webber est le dernier des hommes de tête à rentrer et perd beaucoup de places à sa sortie des stands.
L'Australien réussit toutefois à prendre le meilleur sur Massa au bout de la ligne droite des stands. Hamilton en profite aussitôt pour attaquer Webber avant le virage suivant : alors que le Britannique a pris l’avantage, Webber retarde son freinage, glisse et percute légèrement la McLaren. Massa en profite pour reprendre sa position en dépassant ses deux rivaux. Au vingt-septième tour, alors qu'il est toujours en tête, Vettel, victime d'une casse d'un écrou de roue avant, abandonne dans un bac à graviers. Button prend alors la tête de la course qu'il ne lâchera plus jusqu'à l'arrivée.
Kubica occupe la seconde place et il faut attendre plus d'une dizaine de tours pour qu'Hamilton, Webber et Rosberg, qui ont changé de pneumatiques, rattrapent Massa et Alonso, solides troisième et quatrième. En fin de course, Kubica, Massa, Alonso, Hamilton et Webber roulent de conserve car les Ferrari, qui n'ont pas chaussé de pneumatiques neufs, sont en difficulté. À l'arrière, Schumacher, toujours hors des points, peine à dépasser Jaime Alguersuari.
Hamilton ne parvient pas à dépasser Alonso et reste sous la pression de Mark Webber. Rosberg, grâce à une piste dégagée, revient dans leurs échappements. À deux tours de la fin, Hamilton essaie sans succès de dépasser Alonso pour le gain de la quatrième place et se fait percuter par Webber au freinage. L'Australien perd son aileron avant, repasse par son stand et chute au neuvième rang, devant Schumacher qui a dépassé Alguersuari et entre dans les points. Rosberg récupère donc deux places alors qu'Hamilton parvient à repartir derrière lui.
Au terme des 58 tours, Jenson Button s’impose pour la deuxième fois consécutive sur ce circuit. Il franchit le drapeau à damier agité par John Travolta. Robert Kubica et Felipe Massa complètent le podium. Fernando Alonso est quatrième devant Nico Rosberg, Lewis Hamilton, Vitantonio Liuzzi, Rubens Barrichello, Mark Webber et Michael Schumacher qui complètent le Top 10.
Mark Webber devient le premier pilote australien à signer le meilleur tour en course de son Grand Prix national.
En se classant quatrième, Fernando Alonso égale le nombre de points marqués par Ayrton Senna en championnat du monde (614 points). Seuls Michael Schumacher et Alain Prost ont totalisé plus de points au cours de leur carrière.
Tom Kristensen, pilote recordman des victoires aux 24 Heures du Mans a été nommé par la FIA conseiller pour aider dans leurs jugements le groupe des commissaires de course lors de ce Grand Prix.
Vitaly Petrov, Bruno Senna et Adrian Sutil ont chacun réalisé un excès de vitesse dans la voie des stands lors de la deuxième séance essais libres où la vitesse est limitée à 60 km/h. La vitesse de Petrov a été mesurée à 94,6 km/h et son écurie a écopé d’une amende de 7 000 euros. Senna a été flashé à 67,7 km/h et Sutil à 67,8 km/h : leurs écuries écopent de 1 600 euros d’amende chacune.
La FIA, à la suite d'une demande de son délégué à la sécurité Charlie Whiting, a abaissé à 60 km/h la vitesse maximum dans la voie des stands du circuit de l'Albert Park pour les qualifications et la course (vitesse habituellement fixée à 100 km/h).
Alors que les écuries de la FOTA (l'association des équipes de Formule 1) soutiennent la campagne australienne de sécurité routière Make Road Safe, Lewis Hamilton a été arrêté par la police australienne à l'issue des essais libres du vendredi pour conduite dangereuse sur Lakeside Drive à la sortie du circuit de l'Albert Park. Le Britannique a effectué un burnout puis une queue de poisson à un fourgon de police au volant d’une Mercedes C63 AMG qui a été saisie par la police.