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Para 1984, o piloto alemão assinou contrato com Ken Tyrrell para disputar o Mundial de Fórmula 1. Ali, o seu desempenho no único carro equipado com motores normalmente aspirados, com defasagem de mais de 200 cv em confronto com os motores turbo então dominantes na categoria, atrai a atenção da crítica especializada. Obteve o seu primeiro ponto ao terminar em 6º lugar o GP da Bélgica, em Zolder; conseguiu ainda um 5º na corrida seguinte, o GP de San Marino, em Ímola. Todavia, o seu grande desempenho ocorreu no GP do Mônaco. Mesmo largando da 20ª e última posição e debaixo de chuva forte, o alemão realizou uma corrida repleta de ultrapassagens, incluindo uma ultrapassagem antológica sobre a Ferrari de René Arnoux no mergulho da curva Mirabeau, e já se encontrava na 3ª posição, aproximando-se dos primeiros colocados, Ayrton Senna, da Toleman, e Alain Prost, da McLaren, ambos com motores turbo, quando a prova foi interrompida, na 32ª volta, em virtude das péssimas condições climáticas. Ainda assim, o pódio dividido com Senna mostrava as novas estrelas da categoria. Bellof ainda teve destaque em Detroit, quando corria na 2ª posição até sofrer um acidente. Porém, após essa corrida, a análise do carro do seu companheiro de equipe, Martin Brundle, que terminou a prova em 2º lugar, detectou várias irregularidades, tais como a utilização de lastros e a mistura de componentes proibidos na gasolina utilizada. Desse modo, em uma medida sem precedentes, a Federação Internacional de Automobilismo baniu a Tyrrell da temporada, desclassificando os seus pilotos de todas as corridas anteriormente realizadas. Em 1985, seguiu na Tyrrell. No dia 1º de Setembro, Bellof retornou aos Sport-Protótipos para disputar os 1000 km de Spa-Francorchamps. Na 77ª volta, ao disputar a liderança com o belga Jacky Ickx, Stefan tentou uma arriscada ultrapassagem por fora na entrada da curva Eau Rouge. Os dois Porsche se tocam; o Porsche de Ickx bate com a traseira direita nos guard-rails, ao passo que o carro de Bellof vai bater frontalmente no muro de proteção, incendiando-se. Bellof é retirado do carro e levado para o centro de cirurgia do circuito, mas não resiste aos ferimentos e falece no local, uma hora após o acidente. Código universal: 4012138061330