Pada 7 Oktober 2017, diumumkan bahwa Sainz akan menggantikan Jolyon Palmer dan akan bermitra dengan Nico Hülkenberg di tim Renault terhitung mulai Grand Prix Amerika Serikat 2017 dengan Daniil Kvyat yang kembali ke Toro Rosso untuk mengambil tempat lamanya. Dalam lomba pertamanya untuk Renault, Sainz menyelesaikan lomba di urutan ketujuh dan mengalahkan Nico Hülkenberg. Catatan yang diraih Sainz ini menjadi prestasi tersendiri karena sebelumnya Jolyon Palmer belum bisa melakukan hal tersebut sepanjang musim berjalan meski disisi lain Sainz juga terbantu oleh keputusan Hulkenberg yang tidak turun di sesi kualifikasi Q2 akibat terkena hukuman. Performa yang kurang mengesankan diikuti pada lomba berikutnya di Meksiko. Sainz meraih posisi start kesembilan dengan selisih waktu sangat tipis dari Hülkenberg yang ada di urutan kedelapan. Sainz memulai lomba di urutan ketujuh setelah Daniel Ricciardo terkena penalti ganti mesin. Setelah lap pertama, Sainz naik ke posisi lima tetap dibelakang Hulkenberg usai Sebastian Vettel dan Lewis Hamilton bertabrakan diawal lomba. Namun tidak lama berselang, Sainz melintir di bagian trek yang berkecepatan tinggi dan terpaksa masuk pit untuk mengganti ban. Selanjutnya di sisa lomba kendala lain datang untuk Sainz yaitu masalah kemudi yang kemudian membuatnya terpaksa menepi ke garasi. Di sisa lomba akhir musim, Sainz gagal mencetak poin lagi. Sainz menyelesaikan musim di posisi kesembilan dengan total 54 poin yang merupakan gabungan dari poinnya di Toro Rosso dan Renault.