Remplacé par Jacques Villeneuve pour la saison 1996, Coulthard signe finalement avec McLaren-Mercedes, qui avait déjà essayé de l'engager un an auparavant. En 1996, au volant d'une voiture moins performante que la Williams, il termine septième du championnat avec deux podiums à la clé. Les choses commencent à s'améliorer en 1997, tandis que les McLaren bénéficient du moteur le plus puissant du plateau. Il remporte deux victoires (Australie et Italie) et termine troisième du championnat du monde (il était quatrième avant le déclassement de Michael Schumacher) .