Édesapja bátorítására négyéves korában ült először gokartba, első versenyén, tizenhárom évesen az 1-es rajtszámmal indult, és a célban is elsőként intették le. 1977-ben megnyerte a dél-amerikai gokartbajnokságot, majd 1979-ben és 1980-ban világbajnoki ezüstérmes lett. 1981-ben megnősült és Európába költözött, bekapcsolódott a brit Formula Ford 1600-as versenysorozatba. A következő évben megnyerte a brit és az európai Formula Ford 2000 bajnokságot, 1983-ban a brit Formula–3-as bajnokságban diadalmaskodott és megnyerte a makaói nagydíjat is.
A csúcskategóriában, a Forma–1-ben 1984. március 25-én egy kiscsapat, a Toleman versenyzőjeként mutatkozott be. Már második versenyén pontot szerzett, első idényében háromszor állhatott fel a dobogóra. A következő évtől már a Lotusnál versenyzett és három év alatt hat futamgyőzelmet szerzett, első diadalát 1985. április 21-én a portugáliai Estorilban aratta. 1988-ban szerződött a McLarenhez, ahol a kétszeres világbajnok Alain Prost csapattársa lett. Ekkor kezdődött kettejük legendássá vált versengése, ami végül odáig fajult, hogy a „Professzorként” emlegetett kis franciával a hivatalosan megkövetelt alkalmakat leszámítva nem is beszéltek egymással. Ők ketten tűz és víz voltak, Prost végtelenül letisztultan és megfontoltan vezetett, míg Senna megszállottan hajszolta a győzelmet és hajlamos volt a kockáztatásra.
Az 1988-as világbajnokságot a 16 futamból nyolcon első Senna nyerte, de a következő évben a francia mögött csak második lett. Az utolsó előtti, japán nagydíjon Sennának győznie kellett volna, de összeütköztek csapattársával, s miután kocsiját pályamunkások tolták vissza, hiába intették le elsőnek, diszkvalifikálták. 1990-ben ismét ő lett a világbajnok, a cím sorsáról ismét egy suzukai baleset döntött. A brazil és az akkor már Ferrarival versenyző francia az első kanyarban ütközött és mindketten kiestek, Senna később elismerte, hogy szándékosan idézte elő a karambolt. 1991-ben harmadszor is világbajnok lett, 1992-ben egy gyengébb McLarennel negyedikként zárt, 1993-ban pedig a kipörgésgátlóval felszerelt új autóval esélyesnek számított, de végül másodikként végzett Prost mögött.
Az 1994-es évadra a Williams-csapathoz igazolt át, de idénye rosszul kezdődött. Az első két nagydíjon az élről indult, de kiesett, ezután következett a San Marinó-i Nagydíj. A versenyhétvége baljós előjelekkel indult: az első szabadedzésen a brazil Rubens Barrichello teljes gázzal a falnak vágódott, de túlélte a balesetet, másnap az újonc osztrák Roland Ratzenberger vesztette el uralmát 300 kilométer/órás sebességgel száguldó járműve fölött, s a kórházban meghalt.
A mezőny 1994. május elsején rajtolt el. A hetedik körben a 310 kilométeres sebességgel az élen száguldó Senna a Tamburello-kanyarban a pályáról lecsúszva egyenesen haladt tovább, és a gumikorláttal nem védett betonfalba csapódott. A szinte teljesen szétroncsolódott autóban ülő versenyző nem mutatott életjelet, a következő percekben tévénézők százmilliói szemlélték döbbenten, amint a mentők sikertelenül próbálják újraéleszteni, majd helikopterrel kórházba viszik. Itt sikerült a szívét újraindítani, de 18 óra 40 perckor halottnak nyilvánították, a halál időpontjának az ütközés pillanatát, 14 óra 17 percet adtak meg. Brazíliai temetésén másfél millió ember vett részt és háromnapos nemzeti gyászt rendeltek el.
A baleset miatt később per indult a Williams-csapat vezetői és a pálya üzemeltetői ellen, de 1997-ben mindannyiukat felmentették. A szakértői vizsgálat szerint a kormányrúd a baleset bekövetkezte előtt eltörött, így az irányíthatatlanná vált autóban ülő Senna már semmit sem tehetett. Halálát az ütközés során leszakadó jobb első kerékfelfüggesztés által okozott három – külön-külön is végzetes – fejsérülés, homlok- és koponyaalapi törés okozta, amelyek következtében agyvérzés, illetve ödéma lépett fel. A kocsit tervező Patrick Head felelősségét 2007-ben kimondta egy olasz bíróság, de büntetést nem szabtak ki rá, mert az ügy addigra elévült.
A tragédia után a Forma–1-ben szigorították a biztonsági előírásokat, amiért Senna pilótaként is harcolt. A pályákat átépítették, a versenyautókat áttervezték, bevezették a nyakat és fejet védő HANS-rendszert, ennek köszönhetően halálos versenybaleset azóta is csak a 2014-es Japán Nagydíjon történt, a francia Jules Bianchi 2015-ben halt bele szuzukai balesetében elszenvedett sérüléseibe.
Ayrton Senna egyszerre volt zseni és zsarnok, a magánéletben jóindulatú és szerény ember volt, de a pályán rendkívüli győzni akarása miatt egészen megváltozott. Ő volt a Forma–1 történetének leggyorsabb versenyzője, az időmérő edzéseken 161 futama során 65-ször volt a leggyorsabb, további 22 alkalommal indult az első sorból, a versenyeken 13 645 km-en, 982 körön át vezetett. Edzéselsőségeinek rekordját csak a hétszeres világbajnok német Michael Schumacher tudta megdönteni tizenkét évvel később. Senna hat győzelmet aratott Monte-Carlóban, s a mai napig rekordnak számít az 1989 és 1993 között aratott egymás utáni öt futamgyőzelme ezen a pályán.
Az autósport harmincnégy évesen elhunyt legendájának számos szobrot és emlékművet emeltek, az egyiket az imolai pályán, a végzetes baleset helyszínén. Több millió embernek volt példaképe, életéről számos könyv, film, sőt dal is született. Hazájában nemzeti hősnek számít, több utca, autópálya, alagút és tér viseli a nevét, a brazil labdarúgó-válogatott az ő emlékének ajánlotta 1994-es világbajnoki győzelmét.
