2017 wechselte er zu Sauber und wurde Teamkollege von Marcus Ericsson. Die ersten beiden Rennen ließ er aus gesundheitlichen Gründen aus und wurde durch Antonio Giovinazzi vertreten. Beim Großen Preis von Spanien erzielte er als Achter seine ersten Punkte für Sauber. Am Saisonende belegte er den 18. Gesamtrang. Nach der Saison endete sein Engagement in der Formel 1, nachdem Sauber Charles Leclerc als Nachfolger verpflichtet hatte. Mercedes-Teamchef Toto Wolff erklärte im Oktober 2017, Mercedes werde Wehrlein bei einer Cockpitsuche nicht weiter unterstützen: "Irgendwann sei für jeden die Zeit gekommen, auf eigenen Beinen zu stehen".