A közép-európai idő szerint 14 órakor kezdődő időmérő edzésen a bakui pálya már az első percekben követelte első áldozatát: az első mért körén levő Lance Stroll a harmadik szabadedzésen Max Verstappenen is kifogó 15-ös kanyar falának koccanva törte ki Aston Martinja kerekét, mindjárt piros zászlós megszakítást kiváltva. A halasztás jól jött a Williamsnek, amely még motort cserélt George Russell autójában a harmadik szabadedzés műszaki hibája után: tíz perccel később, az újraindításnál már a brit is a pályán volt.
Alig a mezőny fele tudta befejezni első Q1-es mért körét, köztük a megjavított Red Bull-lal Max Verstappen a hétvége első 1:41-es idejével, 1:41,760-nal, mikor megtörtént a második baleset: újra a 15-ös kanyarban tört össze egy autó, ezúttal Antonio Giovinazzi Alfa Romeója, ismét piros zászlót eredményezve.
Kilenc perc maradt még az első etapból, amely végén meglepetés született: Lewis Hamilton 1:41,545-öt teljesített, megelőzve Verstappen korábbi körét, így az eddig küszködő Mercedes zárta leggyorsabbként a Q1-et. Perez, Sainz és a piros zászló alatt történt szabályszegés miatt vizsgált Norris fért be még a legjobb ötbe, a kiesők sora nem okozott meglepetést: Latifi, Schumacher és Mazepin, valamint a két balesetező, Stroll és Giovinazzi.
A Q2-ben rendkívül szoros volt az állás az első három között: az 1:41,625-öt futó Verstappen csupán 5 ezredmásodperccel volt Perez és 9 ezreddel Hamilton előtt, és említésre méltó volt Yuki Tsunoda negyedik helye a Ferrarikat megelőzve, a japán szintén csupán 0,029 másodpercet kapott, pályafutása során először jutott Q3-ba. Másfél perccel a vége előtt Daniel Ricciardo a 3-as kanyarban elszenvedte az időmérő harmadik balesetét, az újabb piros zászló pedig véget vetett a Q2-nek: Norris, Gasly, Bottas és Alonso bejutottak, Vettel, Ocon, Ricciardo, Raikkönen és Russell viszont nem kapott esélyt a javításra, kiesett.
A Q3 első etapján az eddig uralkodó Red Bull és Mercedes helyett egy Ferrari volt a leggyorsabb, Charles Leclerc 1:41,218-cal teljesítette az időmérő addigi leggyorsabb körét, a második Hamilton két tizedmásodpercet kapott, Verstappen harmadik, Perez csak hetedik pozícióban állt.
A végén a tűzijáték azonban újra elmaradt egy dupla baleset miatt: Tsunoda és Sainz is összetörte a 3-as kanyarban, újra előkerült a piros zászló, ami meghiúsította az utolsó próbálkozásokat. Leclerc-nek a monacóihoz nagyon hasonló körülmény, egy piros zászló biztosította be a rajtelsőséget, Hamilton, Verstappen és Gasly előtt.
Az Azerbajdzsáni Nagydíj időmérőjének eredménye:
| Versenyző | Csapat | Q1 | Q2 | Q3 | Körök | |
| 1 | Charles Leclerc | FERRARI | 1:42.241 | 1:41.659 | 1:41.218 | 19 |
| 2 | Lewis Hamilton | MERCEDES | 1:41.545 | 1:41.634 | 1:41.450 | 21 |
| 3 | Max Verstappen | RED BULL RACING HONDA | 1:41.760 | 1:41.625 | 1:41.563 | 19 |
| 4 | Pierre Gasly | ALPHATAURI HONDA | 1:42.288 | 1:41.932 | 1:41.565 | 18 |
| 5 | Carlos Sainz | FERRARI | 1:42.121 | 1:41.740 | 1:41.576 | 18 |
| 6 | Lando Norris | MCLAREN MERCEDES | 1:42.167 | 1:41.813 | 1:41.747 | 20 |
| 7 | Sergio Perez | RED BULL RACING HONDA | 1:41.968 | 1:41.630 | 1:41.917 | 18 |
| 8 | Yuki Tsunoda | ALPHATAURI HONDA | 1:42.521 | 1:41.654 | 1:42.211 | 19 |
| 9 | Fernando Alonso | ALPINE RENAULT | 1:42.934 | 1:42.195 | 1:42.327 | 20 |
| 10 | Valtteri Bottas | MERCEDES | 1:42.701 | 1:42.106 | 1:42.659 | 21 |
| 11 | Sebastian Vettel | ASTON MARTIN MERCEDES | 1:42.460 | 1:42.224 | 15 | |
| 12 | Esteban Ocon | ALPINE RENAULT | 1:42.426 | 1:42.273 | 11 | |
| 13 | Daniel Ricciardo | MCLAREN MERCEDES | 1:42.304 | 1:42.558 | 14 | |
| 14 | Kimi Räikkönen | ALFA ROMEO RACING FERRARI | 1:42.923 | 1:42.587 | 15 | |
| 15 | George Russell | WILLIAMS MERCEDES | 1:42.728 | 1:42.758 | 12 | |
| 16 | Nicholas Latifi | WILLIAMS MERCEDES | 1:43.128 | 8 | ||
| 17 | Mick Schumacher | HAAS FERRARI | 1:44.158 | 10 | ||
| 18 | Nikita Mazepin | HAAS FERRARI | 1:44.238 | 9 | ||
| RT | Lance Stroll | ASTON MARTIN MERCEDES | 2 | |||
| RT | Antonio Giovinazzi | ALFA ROMEO RACING FERRARI | 4 |
