Pada tanggal 3 November 2016, tim Williams Martini Racing secara resmi mengumumkan bahwa Stroll akan mendorong salah satu dari dua mobil mereka pada ajang Formula Satu musim 2017. Dia akan menjadi pembalap F1 asal Kanada yang pertama sejak Juara Dunia Formula Satu musim 1997, yakni Jacques Villeneuve, yang secara kebetulan juga memulai kariernya di dalam ajang F1 bersama dengan tim Williams, pada tahun . Setelah tiga kali mundur dari perlombaan secara berturut-turut, finish yang pertama untuk Stroll di dalam ajang F1 pada akhirnya datang juga di putaran keempat pada musim ini di Rusia, di mana ia selesai di urutan kesebelas, meskipun mobilnya sempat berputar di putaran pertama. Di Grand Prix Spanyol, Stroll finis di urutan keenam dan terakhir dari semua pembalap yang berhasil menyelesaikan lomba ini. Dua minggu kemudian, Stroll harus rela mundur dari perlombaan setelah mengalami kegagalan rem pada mobilnya di Monako, tetapi ia masih diklasifikasikan di urutan ke-15. Stroll mencetak poin pertamanya di dalam ajang F1 di Grand Prix yang berlangsung di rumahnya sendiri di Montréal, Kanada, setelah berakhir di posisi ke-9. Stroll berhasil naik podium untuk yang pertama kalinya di dalam ajang F1, dengan finis di urutan ketiga di Grand Prix Azerbaijan 2017, dan menjadikannya sebagai "Rookie" termuda kedua dan pembalap termuda kedua setelah Max Verstappen yang pernah naik podium di dalam ajang Formula 1, pada usia 18 tahun dan 239 hari. Lebih jauh, Stroll juga berhasil mendapatkan lebih banyak posisi di lap pembuka daripada seluruh lawan-lawannya di musim ini.