Belga, nato a Courtrai il 26 marzo 1992. Iniziò la sua carriera nei kart nel 1998 all'età di sei anni e, dieci anni più tardi vinse il campionato belga KF2. Nel 2009 concluse secondo alla CIK-FIA World Cup nella categoria KF2. Nel 2010 si spostò sulle monoposto correndo nel campionato francese della F4 Eurocup 1.6 francese; vinse la serie al primo tentativo. Nel 2011 si spostò nell'Eurocup Formula Renault 2.0 con il team KTR di Kurt Mollekens. Partecipò anche alla Formula Renault 2.0 Northern European Cup. Nel 2012 Vandoorne rimase nell'Eurocup, ma lasciò il KTR per unirsi al team Josef Kaufmann Racing con il quale vinse il campionato; partecipò anche alla Northern European Cup. Nel 2013 corse nella Formula Renault 3.5 con la Fortec Motorsport. Nel 2014 corse in GP2 con il team ART. Nel 2015 sempre con il team ART vince il campionato. Nel febbraio 2013 Vandoorne si unì al programma per giovani piloti della McLaren e nel gennaio 2014 fu annunciato come terzo pilota della McLaren F1 mentre affronta la stagione in GP2 Series con il team ART Grand Prix con il quale si laurea campione del mondo. Il 3 aprile 2016 arriverà il debutto in una gara di Formula 1 nel Gran Premio del Bahrain causa la mancata idoneità di Fernando Alonso dopo l'incidente della gara precedente in Australia, si classificherà diciottesimo in classifica piloti. Nel 2017 e 2018 diventa titolare e si classifica sedicesimo. Dal 2018 corre in F.E con la Mercedes oltre ad essere collaudatore in F.1.