Hartley va fer el seu debut en Fórmula 1 per a Toro Rosso al Gran Premi dels Estats Units de 2017
, en substitució de Pierre Gasly, que estava absent per participar en la ronda final del campionat japonès de Super Fórmula; va córrer amb el número 39. Es va classificar en la 17a posició després d'haver estat eliminat durant la Qualificació 1, però va començar des de la 19a posició a causa de penes del motor. Va acabar la cursa en la 13a posició, una volta per darrere del guanyador de la cursa Lewis Hamilton. El 26 d'octubre es va confirmar que Hartley seguiria sent un pilot de Toro Rosso per a la resta de la temporada, en substitució de Daniil Kvyat, i va triar el 28 (el mateix número utilitzat anteriorment per Will Stevens el 2015) com el seu número de carrera permanent.