Harvick tenía acordado disputar en 2001 algunas carreras de la Copa NASCAR, la principal categoría de stock cars del país, con la idea de convertirse en titular en el equipo Richard Childress en 2002. Sin embargo, la muerte de Dale Earnhardt durante las 500 Millas de Daytona de 2001 propició que Harvick tomara su butaca para la segunda fecha. En su primera temporada triunfó en Atlanta 1 y Chicagoland, además de obtener 16 top 10, por lo que resultó noveno y Novato del Año.
En 2002 venció nuevamente en Chicagoland pero consiguió solamente ocho top 10, por lo que se colocó 21.º en el campeonato. En 2003 venció en las 400 Millas de Brickyard y acumuló 11 top 5 y 18 top 10, de modo que finalizó quinto en el campeonato.
Continuando con el equipo de Richard Childress en 2004, el piloto obtuvo solamente cinco top 5 y 14 top 10, por lo que no ingresó a la Caza por la Copa NASCAR y finalizó 14.º. En 2005 venció en la carrera primaveral de Bristol, pero sus tres top 5 y diez top 10 le significaron repetir el 14.º puesto de campeonato.
Harvick registró seis victorias en la temporada 2006: Phoenix 1, Watkins Glen y las carreras otoñales de Richmond, New Hampshire y Phoenix. Sin embargo, fue irregular en la Caza por la Copa y acabó cuarto en la tabla general. El piloto ganó las 500 Millas de Daytona de 2007 y consiguió cuatro top 5 y 15 top 10, de modo que se colocó décimo en el campeonato.
En la temporada 2008 de la Copa NASCAR, el piloto logró siete top 5 y 19 top 10, por lo que finalizó cuarto en el campeonato. En 2009 obtuvo solamente cinco top 10 y nueve top 10, por lo que quedó relegado a la 19.ª posición final.
Harvick continuó por décima temporada consecutiva con el equipo Childress en 2010. Ganó las 500 Millas de Alabama, las 400 Millas de Daytona y las 500 Millas de Michigan. Acumuló 16 top 5 y 26 top 10 en las 36 carreras, pero quedó tercero en el campeonato, lejos de las seis victorias de Jimmie Johnson y las ocho de Denny Hamlin.
El piloto consiguió en 2011 cuatro victorias en Fontana, Martinsville, las 600 Millas de Charlotte y Richmond, así como nueve top 5 y 19 top 10. Esto le significó el cuarto puesto en la tabla general, por detrás de Tony Stewart, Carl Edwards y Hamlin.
Harvick ganó la penúltima fecha de la Copa NASCAR 2012 en Phoenix, y obtuvo cinco top 5 y 14 top 10, quedando así octavo en el campeonato.
En 2013, el piloto consiguió cuatro victorias, además de nueve top 5 y 21 top 10. Por tanto terminó tercero en la tabla general, por detrás de Johnson y Matt Kenseth, quienes lograron seis y siete victorias respectivamente.
Luego de trece temporadas con el equipo de Richard Childress, Harvick se unió al equipo Stewart-Haas Racing para la temporada 2014 de la Copa NASCAR. Logró cuatro victorias en Phoenix 1, Darlington, Charlotte y Phoenix 2, por lo que alcanzó la ronda final. En dicha ronda ganó la carrera final en Homestead, manteniendo a raya a Ryan Newman, y de esta forma se coronó campeón de la Copa NASCAR.
Harvick dominó la temporada regular de 2015, siendo el líder durante 23 carreras consecutivas (desde Las Vegas a Darlington), y al mismo tiempo ganó en Las Vegas y Phoenix. En las primeras nueve carreras logró la victoria a Dover y otros 3 top 5, lo que permitieron clasificarse a la carrera final por el campeonato en Homestead. Resultó segundo en dicha carrera, pero uno de los contendientes por el título, Kyle Busch ganó la carrera, de forma que logró el campeonato, y Harvick tuvo que quedarse con el subcampeonato.
En 2016, Harvick triunfó en Phoenix y Bristol 2, que le permitió clasificarse a la Caza. Consiguió dos victorias en las dos primeras rondas preliminares, antes de ser eliminado en la tercera ronda, y resultó octavo con 17 top 5. Al año siguiente, consiguió dos victorias, en Sonoma y Texas 2, para llegar a la ronda final de los playoffs de la Copa NASCAR, donde fue cuarto en la carrera y tercero en la final a cuatro; concluyó tercero en el campeonato con un total de 14 top 5.
2018 fue el mejor año de su carrera en números, ya que consiguió 8 victorias (Atlanta, Las Vegas 1, Phoenix 1, Dover 1, Kansas 1, New Hampshire, Míchigan 2 y Texas 2), 19 victorias de stage, 23 top 5 y 29 top 10 en las 36 carreras, el que más consiguió. Además, ganó el All-Star de la NASCAR Cup Series. Tras dominar con mano de hierro la temporada (junto a Kyle Busch), Harvick no tuvo una buena carrera en la final de la temporada en Miami y tan sólo pudo ser tercero.
En 2019 empezó la temporada siendo un piloto que acostumbraba a estar en las primeras posiciones, pero que le faltaba dar el último paso para conseguir victorias, logrando tres cuartos puestos en las primeras cinco carreras. Consiguió la primera victoria de la temporada en verano, en el New Hampshire Motor Speedway, revalidando la victoria de 2018. Durante el verano consiguió dos victorias más, en Michigan 2 y las 400 Millas de Brickyard. También consiguió la victoria en Texas 2, consiguiendo por tercer año consecutivo el billete a Homestead-Miami para luchar por el título. Finalizó la carrera en cuarto puesto, tercero entre los pilotos que luchaban por el campeonato, de modo que acabó tercero por tercer año consecutivo en la general.
En la temporada 2020, Harvick cosechó 9 victorias y 20 top 5, pero malos resultados en la tercera ronda de la postemporada, lo dejaron afuera de pelear por el título, finalizando quinto. El californiano no pudo ganar ninguna carrera en 2021, siendo su primer año sin victorias desde 2009. Fue eliminado en la segunda ronda de la postemporada, terminando quinto en el clasificador general con 10 top 10.
En 2022, Harvick pudo volver al "Victory Lane" tras más de 60 carreras sin estar en lo más alto, ganó dos veces (las dos de ellas fueron seguidas) en Míchigan y Richmond 2. Fue eliminado en primera ronda tras dos abandonos en el Southern 500 y en Kansas tras colisionar con Ross Chastain y Bubba Wallace. También fue penalizado con 100 puntos en Talladega tras fallar la inspección post-carrera.
En enero de 2023, Harvick anunció su retiro de la NASCAR Cup Series al término de la temporada 2023.
