Hartley teki Formula 1:n debyyttinsä Toro Rosson kanssa vuoden 2017 USA:n Grand Prix -kilpailussa.
, korvaamalla Pierre Gaslyn, joka oli poissa osallistumaan Japanin Super Formula -mestaruuden viimeiseen kierrokseen; hän kilpaili numeron 39 kanssa. Hän sijoittui 17. sijalle, kun hänet eliminoitiin ensimmäisessä kvalifikatiossa, mutta hän aloitti 19. sijasta moottorin seuraamusten vuoksi. Hän pääsi kilpailuun 13. sijalla, yhden kierroksen jälkeen voittajasta Lewis Hamiltonista. Lokakuun 26. päivänä vahvistettiin, että Hartley pysyy Toro Rosson kuljettajana lopun kauden Daniil Kvyatin tilalle, ja hän valitsi 28 (saman numeron, jota Will Stevens käytti aiemmin vuonna 2015) pysyväksi kilpailunumerokseen.