Em 1971 venceu o GP de Imola de Fórmula 2. Com esta vitória, conseguiu um convite para integrar a equipe de Protótipos da Ferrari a partir da temporada de 1972, tendo como melhor resultado o segundo lugar nas 24 horas de Le Mans de 1973.
O ingresso na Fórmula 1 deu pela equipe Williams, que na época utilizava carros March da temporada anterior. Ainda assim, Pace pontuou duas vezes, terminando o campeonato em 16º lugar, com três pontos.
No ano seguinte, paralelamente ao Campeonato de Protótipos, disputou a Fórmula Um pela equipe Surtees. Terminou o campeonato em 11º lugar, com 7 pontos, conseguindo como melhor resultado o 3º lugar na Áustria. Foi escolhido o quarto melhor piloto do mundo pelo anuário Autocourse, perdendo para Jackie Stewart, Ronnie Peterson e Emerson Fittipaldi.
Em 1974, começou a temporada novamente na Surtees. Na metade da temporada, mudou de equipe, passando a disputar o campeonato pela Brabham, onde conseguiu o segundo lugar em Watkins Glen, nos Estados Unidos. Terminou o campeonato em 12º lugar, com 11 pontos.
Em 1975, disputando a temporada pela Brabham, Pace fez sua melhor temporada no automobilismo. Além da Fórmula 1, participou do Campeonato Brasileiro de Turismo e sagrou-se campeão do Grupo 1. Venceu também as 25 horas de Interlagos. Seu principal feito na temporada veio no segundo GP de 1975, no Brasil. Pace venceu a corrida, fazendo dobradinha com Emerson Fittipaldi; a primeira na Fórmula 1. Terminou a temporada em 6º, com 24 pontos.
O campeonato de 76 não foi muito bom para Pace. Utilizando os motores Alfa Romeo, que eram pesados e gastavam muita gasolina, fez apenas 7 pontos, terminando em 14º lugar. Naquele ano atuou como dublê de Al Pacino[1] no filme Bobby Deerfield nas cenas de competição nos GPs do Brasil, África do Sul e Estados Unidos.
Em 1977, um segundo lugar no Grande Prêmio da Argentina foi o último pódio de José Carlos Pace. Participou de mais duas corridas, Brasil e África do Sul, sem pontuar.
Morte
No dia 18 de março de 1977, o avião em que viajava, um pequeno monomotor de propriedade do também piloto Marivaldo Fernandes, bateu numa árvore na Serra da Cantareira, município de Mairiporã, após decolar do Aeroporto Campo de Marte no início de uma violenta tempestade, tendo Pace morte imediata. Está sepultado no Cemitério do Araçá. Em 1985, o Autódromo de Interlagos foi batizado Autódromo José Carlos Pace em sua homenagem.