Hartley fik sin Formel 1-debut for Toro Rosso i
2017 United States Grand Prix, som erstatning for Pierre Gasly, der var fraværende for at deltage i den sidste runde af den japanske Super Formula Championship; han kørte med nummer 39. Han kvalificerede sig på 17. position efter at være blevet elimineret under Qualifying 1, men startede fra 19. position på grund af motorstraf. Han sluttede løbet på 13. plads, et omgang efter vinder Lewis Hamilton. Det blev bekræftet den 26. oktober, at Hartley ville forblive en Toro Rosso-kører for resten af sæsonen, og han valgte 28 (det samme nummer, der tidligere blev brugt af Will Stevens i 2015) som hans permanente racenummer.