Hartley membuat debut Formula Satu untuk Toro Rosso di Grand Prix Amerika Serikat 2017
, menggantikan Pierre Gasly, yang tidak hadir untuk mengambil bagian dalam putaran terakhir Kejuaraan Super Formula Jepang; ia berlomba dengan nomor 39. Dia lolos di posisi 17 setelah tersingkir selama Kualifikasi 1, tetapi memulai dari posisi 19 karena penalti mesin. Dia menyelesaikan balapan di posisi ke-13, satu lap di belakang pemenang balapan Lewis Hamilton. Pada tanggal 26 Oktober dikonfirmasi bahwa Hartley akan tetap menjadi pembalap Toro Rosso untuk sisa musim ini, menggantikan Daniil Kvyat, dan dia memilih 28 (nomor yang sama sebelumnya digunakan oleh Will Stevens pada tahun 2015) sebagai nomor balap permanennya.