Nel 2017 Sainz viene confermato dalla Toro Rosso, con la quale ottiene diversi piazzamenti a punti (per un totale di 48), tra cui un 4º posto a Singapore; il 7 ottobre viene annunciato il suo passaggio in Renault per gli ultimi quattro Gran Premi della stagione. Al suo primo Gran Premio con la scuderia francese, Sainz arriva subito a punti; è costretto invece al ritiro per problemi tecnici nella gara successiva. Chiude in nona posizione nel mondiale, con 54 punti.