In 2016 werd Vandoorne opnieuw de officiële testrijder bij McLaren na het vertrek van Kevin Magnussen. Om zich voor te bereiden op een Formule 1-debuut in 2017 nam hij dat jaar deel aan de Japanse Super Formula. Na een zware crash van McLaren-racecoureur Fernando Alonso in de eerste Grand Prix van het jaar in Australië, raakte deze niet tijdig hersteld voor de tweede race in Bahrein, waardoor Stoffel Vandoorne hem mocht vervangen. Hij maakte zijn debuut in de Formule 1 tijdens de tweede race van het seizoen op het Bahrein International Circuit . Hij eindigde 10e bij zijn F1 debuut, na vanop de 12e plaats gestart te zijn. Dit leverde tevens het eerste punt van het seizoen op voor de renstal.