In 2017 kwam Sainz een derde seizoen uit bij Toro Rosso. Opnieuw behaalde hij betere resultaten, met een vierde plaats in Singapore als hoogtepunt. Op 15 september 2017 werd bekend dat hij in 2018 na drie jaar Toro Rosso zou overstappen naar het team van Renault. Op 7 oktober 2017 werd bekend dat de overstap al eerder plaats zou vinden: vanaf de Grand Prix van de Verenigde Staten 2017 neemt hij de plaats van Jolyon Palmer over bij het team.