Disputou sua primeira corrida na Fórmula 1 para a Scuderia Toro Rosso no Grande Prêmio dos Estados Unidos de 2017, em substituição de Pierre Gasly, que estava ausente para participar a rodada final da Super Fórmula Japonesa; Hartley competiu com o número 39 na primeira corrida. Ele se classificou na 17.ª posição depois de ser eliminado durante o Q1, mas começou a partir da 19.ª posição devido à punição da trocar de motor. Ele terminou a corrida na 13.ª posição, com uma volta a menos ao vencedor da corrida, Lewis Hamilton. Foi confirmado em 26 de outubro que Hartley continuaria sendo o piloto da Toro Rosso pelo resto da temporada, substituindo Daniil Kvyat que tinha sofrido uma série de batidas e também passava por uma mal temporada na F1 em 2017 e ele escolheu 28 como seu número de corrida permanente. Em 16 de novembro de 2017, Hartley foi confirmada pela equipe Toro Rosso como piloto titular, ao lado de Pierre Gasly para a temporada de .