Vandoorne estreou na Fórmula 1 no Grande Prêmio do Barém de 2016 quando substituiu o titular Fernando Alonso, que fora vetado pelos médicos em decorrência do forte acidente sofrido na prova anterior. Utilizando o número 47, obteve o décimo lugar, conquistando um ponto. Em setembro de 2016 a equipe anunciou sua promoção a piloto titular no lugar de Jenson Button a partir da temporada 2017. Utiliza desde então o número 2 em seu McLaren, que lhe foi atribuído em 2010 quando disputava, com grande êxito, a Formula 4 Eurocup.