Après plusieurs années passées à disputer des évènements « club », son talent se révèle en 1955. A cette époque, de nombreuses courses « hors championnat » de F1 sont organisées et permettent à des pilotes de se mettre en valeur. Lors de sa 4ème participation, il remporte le grand prix de Syracuse sur une Connaught B en devançant les pilotes Maserati, Luigi Villoresi et Luigi Musso. Cette victoire ne passe pas inaperçu, car il s’agit de la première victoire en grand prix, certes non officiel, d’un britannique au volant d’une monoplace britannique…depuis 1924 !

Il fait ses débuts en grand prix à Silverstone en 1956 sur une BRM et subit un grave accident. Il est éjecté mais s’en tire, si l’on peut dire, avec seulement une jambée cassée. Engagé par Rob Walker à la fin de la saison, il rejoint l'écurie Vanwall pour disputer sa première saison complète de Formule 1 en 1957. Deuxième à Monaco, puis victime d'un accident lors des 24 heures du Mans, il fait son retour en F1 lors du Grand Prix de Grande-Bretagne où il échange sa voiture avec celle de Stirling Moss, son leader d’équipe, ce qui est permis par la règlementation de l’époque. Moss remporte la victoire, la première d’une voiture britannique en championnat du monde, et il partage les lauriers avec Tony Brooks.

En 1958, Vanwall domine. A Monaco, il décroche sa première pole-position, puis remporte trois courses en Belgique, en Allemagne et en Italie. Il subit néanmoins plusieurs abandons et doit se contenter de la troisième du championnat. Vanwall est champion du monde des constructeurs mais son équipier Moss échoue d’un petit point face à Mike Hawthorn.

Vanwall étant en perdition suite aux problèmes de santé de son patron Tony Vanderwell, Brooks trouve refuge chez Ferrari. Il remporte le Grand Prix de France et le grand prix d’Allemagne sur le circuit de l'AVUS, où il réalise son unique hat-trick (pole, victoire, meilleur tour en course). Alors qu'il reste une course à courir, Tony peut mathématiquement obtenir le titre, mais il termine troisième aux Etats-Unis, après avoir été percuté au départ par son équipier Volfgang Von Trips et avoir perdu 2 minutes à inspecter sa machine. Il termine finalement vice-champion derrière Jack Brabham, qui achève la course épuisé en poussant sa machine tombée en panne d’essence !

En 1960 et 1961, il court avec Cooper puis BRM mais ne dispose plus de machines capables de le faire gagner et il tire sa révérence à l’issue de son 38ème grand prix, avec des statistiques élogieuses, dont 6 victoires et 10 podiums. "Brooks était un pilote extraordinaire, le plus grand pilote de course "inconnu" qui ait jamais existé", a déclaré Moss, décédé il y a deux ans à l'âge de 90 ans, à propos de son ancien coéquipier et ami. "Il était bien meilleur que plusieurs personnes qui ont gagné le championnat du monde".

Tony Brooks a également remporté des courses de voitures de sport, dont les 1000 Kms du Nürburgring 1957 sur une Aston Martin DB1. De 1961 jusqu’à 1993, il s’est occupé de la concession automobile qu’il avait hérité de son père.Tony Brooks était le doyen des vainqueurs de grand prix. C’est désormais Sir Jackie Stewart, 82 ans et 10 mois,  qui hérite du « trône ».