In 2016 stapte Stroll uit de Ferrari Driver Academy en werd hij testrijder voor het Formule 1-team van Williams. In 2017 maakt hij voor dit team zijn racedebuut in de Formule 1 naast Felipe Massa. Nadat hij in de eerste drie races van het seizoen niet aan de finish wist te komen, behaalde hij tijdens zijn thuisrace zijn eerste punten in de Formule 1 met een negende plaats. Tijdens de Grand Prix van Azerbeidzjan wist Stroll als derde te eindigen en behaalde dus zo zijn eerste podiumfinish. Dit maakte hem de op een na jongste coureur ooit die een podiumfinish behaalde en de jongste die dit in zijn debuutseizoen deed. Stroll kende een wisselvallig eerste seizoen in de Formule 1 en kreeg aan het begin van het seizoen veel kritiek. Uiteindelijk behaalde hij 40 punten waarmee hij op de twaalfde plek in het klassement eindigde.