Norris completou a melhor volta ao novo circuito Madring em 1.31,824 minutos, com o italiano Kimi Antonelli (Mercedes) a terminar na segunda posição, a 11 milésimas de segundo, e o neerlandês Max Verstappen (Red Bull) em terceiro, a 0,129.
O campeão mundial em título assegurou a terceira 'pole position' da temporada e a 19.ª da carreira, tornando-se também o primeiro piloto a partir do lugar mais avançado da grelha no novo traçado.
Norris, que teve a preparação para a qualificação condicionada por um problema na caixa de velocidades durante a segunda sessão de treinos livres, conseguiu a volta decisiva já nos últimos instantes da terceira e derradeira fase da qualificação.
O britânico considerou ter realizado uma das melhores voltas da sua carreira na Fórmula 1, depois de superar Antonelli quando o piloto da Mercedes e líder da classificação de pilotos parecia instalado na 'pole position'.
Lewis Hamilton (Ferrari), que tinha sido o mais rápido após as primeiras tentativas na Q3, terminou na quarta posição, com o tempo de 1.32,013 minutos, apenas 49 milésimos atrás de Verstappen.
O monegasco Charles Leclerc colocou o segundo Ferrari no quinto lugar, a 195 milésimos de Norris, enquanto o britânico George Russell (Mercedes), segundo classificado do Mundial, não foi além da sexta posição.
O australiano Oscar Piastri (McLaren) terminou em sétimo, a quase meio segundo do companheiro de equipa, seguido do neozelandês Liam Lawson (Red Bull), do argentino Franco Colapinto (Alpine) e do britânico Arvid Lindblad (Racing Bulls).
O britânico Oliver Bearman não participou na qualificação, uma vez que a Haas não conseguiu reparar a tempo o monolugar danificado no acidente sofrido durante a terceira sessão de treinos livres.
Também o canadiano Lance Stroll ficou sem marcar qualquer tempo, devido a um suspeito problema de pressão da água no Aston Martin.
O Grande Prémio de Espanha, 14.ª prova da temporada, disputa-se no domingo, a partir das 15:00 locais (14:00 em Lisboa), ao longo de 57 voltas ao circuito Madring.