Vandoorne debuttò in una gara di Formula 1 in occasione del Gran Premio del Bahrein 2016. Il pilota belga sostituì Fernando Alonso, che soffriva dei postumi di un incidente subito nel precedente Gran Premio d'Australia. Richiamato urgentemente mentre si trovava in Giappone per testare una monoposto di Super Formula, e nonostante non avesse mai provato la McLaren MP4-31, Vandoorne riuscì a battere in qualifica il suo compagno di squadra Jenson Button di un decimo, piazzandosi dodicesimo. In gara, complici numerosi ritiri, Vandoorne riuscì a occupare per buona parte del Gran Premio la nona posizione e a chiudere decimo, conquistando il primo punto della McLaren nella stagione 2016.