W trakcie pierwszych czterech weekendów wyścigowych jego partnerem zespołowym był Max Verstappen, który przeszedł do pierwszego zespołu Red Bulla, Red Bull Racing, zaś jego miejsce obok Sainza zajął Rosjanin Daniił Kwiat.
W kolejnym sezonie Sainz kontynuował starty w Scuderia Toro Rosso wraz z Daniiłem Kwiatem. W pierwszych ośmiu rundach przed przerwą wakacyjną, do Grand Prix Azerbejdżanu 2017, punktował sześciokrotnie, zaś jego najlepszą lokatą było szóste miejsce w Grand Prix Monako 2017. W tym czasie pojawiły się plotki o rosnącym konflikcie pomiędzy Hiszpanem i właścicielami zespołu Toro Rosso, które miały spowodować przejście Sainza do Renault jeszcze w trakcie sezonu. Kierowca zaprzeczał doniesieniom medialnym. W kolejnej części sezonu Sainz zajął najlepszą lokatę w karierze, zajmując czwarte miejsce w Grand Prix Singapuru 2017. Jednak po dwóch kolejnych nieukończonych wyścigach doszło do wcześniej domniemanej zmiany zespołu przez Sainza. Hiszpan na cztery ostatnie weekendy wyścigowe przeniósł się do Renault Sport F1 Team zastępując Brytyjczyka Jolyona Palmera.