Passato poi alla Squadra Corse ha seguito lo sviluppo del circuito del Mugello.[1] Nel 1995 è divenuto capo del personale della Gestione Sportiva, gestendo anche le sponsorizzazioni; alla fine del 1996 è divenuto Team Manager.
Dal 2002 fino al 2007 è stato Direttore Sportivo, dal 1º gennaio 2008 Stefano Domenicali ricopre il ruolo di Team Principal della Scuderia Ferrari, andando a sostituire Jean Todt, nel frattempo promosso alla carica di amministratore delegato di Ferrari.[2]
Nel 2011 vengono celebrate a Monza le nozze con la brianzola Silvia Colombo, figlia del celebre fotografo sportivo Ercole Colombo.[3]
Il 14 aprile 2014 Domenicali rassegna le dimissioni[4] in quello che è stato definito l'annus horribilis[5] della Scuderia Ferrari; a prendere il suo posto è Marco Mattiacci. A novembre dello stesso anno entra in Audi[6] come Vicepresidente New Business Initiatives[7], mentre nel febbraio 2016 viene nominato presidente e amministratore delegato di Automobili Lamborghini.[8]
Con la gestione Domenicali la Lamborghini raggiunge e supera una serie di traguardi significativi[9]: nel 2017 supera il miliardo di fatturato[10]; nel 2018 lancia il Super SUV Urus[11] e il fatturato cresce del 40% raggiungendo 1,42 miliardi[12]. Le vendite crescono del 51% rispetto all'anno precedente[13]. Infine nel 2019 le vendite incrementano del 43%, raggiungendo le 8.205 vetture consegnate.[14]
Il 25 settembre 2020 viene nominato presidente e amministratore delegato del Formula One Group, gruppo organizzatore della Formula 1, prendendo il posto di Chase Carey dal 2021.