Stoffel Vandoorne gewann 2010 den F4 Eurocup 1.6. Zwei Jahre später wurde er Meister im Formel Renault 2.0 Eurocup und wechselte in die Formel Renault 3.5. Außerdem wurde er in den Förderkader des Formel-1-Teams McLaren aufgenommen. Nach dem Gewinn des Vizemeistertitels wechselte er in die GP2-Serie, wo er auf Anhieb ebenfalls Vizemeister wurde. Im folgenden Jahr gewann er schließlich die GP2-Meisterschaft.

Da im Formel-1-Team von McLaren noch kein Platz für ihn frei war, bestritt er 2016 eine Saison in der japanischen Super Formula, die er als Vierter abschloss. Außerdem ersetzte er den verletzten Fernando Alonso beim Großen Preis von Bahrain, wo er als Zehnter auf Anhieb einen WM-Punkt erzielte. 2017 wurde er Alonsos Teamkollege bei McLaren Honda, konnte in zwei vollen Jahren jedoch nicht überzeugen.

Am 15. Oktober 2018 wurde Vandoorne als Stammfahrer für das neue deutsche Formel-E-Team HWA Racelab vorgestellt - die Vorhut des späteren Mercedes-Werksteams. Beim Rom E-Prix 2019 erzielte der Belgier seine erste Podiumsplatzierung in der Formel E. Nach seiner Debütsaison erhielt er wie erwartet ein Cockpit beim Mercedes-Benz EQ Formula E Team. Beim Saisonfinale 2020 in Berlin gelang ihm schließlich der erste Sieg in der Elektroserie. Vandoorne schloss die Saison als Vizemeister ab. Auch für die Saison 2022 blieb er bei Mercedes.