Stoffel Vandoorne commence le karting dans les années 2000 et remporte le championnat belge de karting en 2008. Ses débuts en monoplace ont lieu en 2010 avec la F4 Eurocup 1.6 (l'ancêtre du championnat de France F4), et sont un franc succès, puisque le jeune Belge est sacré champion. En 2011, il passe en Formule Renault 2.0, où il termine à une convaincante cinquième place finale, et dispute en parallèle la saison de Formule Renault 2.0 NEC. Son bilan est encore meilleur puisqu'il achève la saison à la troisième place du championnat.

En 2012, il renouvelle l'expérience en FR 2.0 et cette année sera encore couronnée de succès puisqu'il signe quatre victoires et décroche le titre devant Daniil Kvyat. En 2013, il monte logiquement d'un échelon et court en Formula Renault 3.5 avec l'écurie Fortec. Le titre se joue entre lui et Kevin Magnussen, qui le remporte. Les deux hommes sont membres de la filière McLaren et le Danois accède à la F1 dès 2014.

Stoffel doit se contenter d'une place en GP2 au sein de l'écurie française ART Grand Prix. Ses débuts sont spectaculaires, puisqu'il remporte sa première course à Bahreïn ! Il enchaîne ensuite avec un énorme passage à vide, ne marquant pas le moindre point lors de cinq courses consécutives. Sa fin de saison est toutefois bien meilleure, avec notamment quatre pole positions d'affilée et trois autres victoires. Il termine vice-champion, derrière le pilote expérimenté Jolyon Palmer. Il espère remplacer un Button vieillissant pour 2015, mais McLaren conserve le Britannique et engage Fernando Alonso. Stoffel continue donc avec ART et occupe également le poste honorifique de pilote de réserve.

Sa saison 2015 est remarquable : quatre pole positions, sept victoires, un titre acquis en Russie et une avance de cent soixante points sur son dauphin, Alexander Rossi ! Il bat d'ailleurs le record de dix victoires de Maldonado en GP2, puisqu'il en compte onze à l'issue de cette saison. Il est de nouveau annoncé chez McLaren, mais l'écurie conserve son duo et refuse de le placer dans une autre équipe (Renault le voulait). Il s'exile alors au Japon, en Super Formula, en attendant sa chance.

En F1 avec McLaren

Début mars, Fernando Alonso est forfait pour le Grand Prix de Bahreïn à la suite de son accident à Melbourne. Stoffel accède enfin à la F1. Pour sa première course, il devance Button en qualifications, réalisant le douzième temps, tandis que le Britannique se classe quatorzième. Après une course sans erreur, il se classe dixième et marque son premier point en Formule 1 dès sa première course.

Pourquoi le n° 2 ?
Ce numéro est avant tout un porte-bonheur pour lui, car il lui a porté chance lors de ses débuts en monoplace et de l'une de ses premières saisons victorieuses.

En 2017, il devient enfin titulaire dans le baquet de la deuxième McLaren MCL32, en remplacement de Button. Malheureusement, la première moitié de l'année est fortement compromise par le manque de puissance et la fiabilité désastreuse du moteur Honda, ce qui entraîne de nombreux abandons et de lourdes pénalités sur la grille de départ. A partir du Grand Prix de Grande-Bretagne, ses performances s'améliorent et, à Silverstone, il atteint la troisième partie de la qualification pour la première fois de la saison, avec le huitième temps. Lors de la manche suivante, en Hongrie, il se qualifie de nouveau huitième et inscrit son premier point de la saison en terminant dixième. Il réalise ses meilleurs résultats lors de la tournée asiatique, en enchaînant deux septièmes places consécutives, d'abord à Singapour, puis en Malaisie. Cependant, la fin de saison est moins brillante, avec trois douzièmes places et un abandon, et il termine le championnat au seizième rang, juste derrière Alonso.

En 2018, il effectue sa deuxième saison chez McLaren, qui passe au moteur Renault avec la MCL33. L'année commence de manière encourageante avec trois entrées dans les points lors des quatre premières manches : une neuvième place en Australie, une huitième à Bahreïn et une autre neuvième en Azerbaïdjan. Cependant, les graves lacunes aérodynamiques de la monoplace apparaissent rapidement, reléguant l'équipe dans la seconde moitié de la grille. Il enchaîne alors les épreuves complexes, se faisant systématiquement dominer en qualifications par son coéquipier Fernando Alonso. Stoffel souffre du manque de développement de sa voiture et enchaîne les arrivées hors des points ainsi que les abandons mécaniques tout au long de la période estivale. Un sursaut intervient en octobre, lors du Grand Prix du Mexique, où il réalise une course solide et décroche la huitième place. Il dispute son dernier Grand Prix avec l'écurie à Abou Dabi, terminant quatorzième. Il se classe de nouveau seizième du championnat et est remplacé par Lando Norris.

L'après-F1

Stoffel réoriente alors sa carrière vers la Formule E et l'endurance. Il intègre l'écurie HWA Racelab pour la saison 2018-2019 du championnat électrique et décroche son premier podium à Rome. Parallèlement, il participe au Championnat du monde d'endurance (WEC) avec l'équipe SMP Racing en catégorie LMP1, terminant troisième à Spa-Francorchamps en 2018, puis lors des 24 Heures du Mans.

Pour la saison suivante, il rejoint l'écurie Mercedes-Benz EQ en Formule E. Il signe sa première victoire dans la discipline lors de la manche de Berlin et décroche le titre de vice-champion du monde à l'issue de la saison 2019-2020. En 2021, toujours avec Mercedes, il remporte l'ePrix de Rome, puis s'engage en catégorie LMP2 du WEC avec l'écurie Jota, décrochant une deuxième place aux 24 Heures du Mans.

La consécration intervient lors de la saison 2021-2022 de Formule E. Face à une concurrence serrée, le pilote belge fait de la constance son principal atout tout au long de l'année. Son fait d'armes majeur de la saison se produit lors de l'ePrix de Monaco, qu'il remporte en maîtrisant parfaitement les modes de puissance, ce qui lui permet de prendre la tête du championnat. Au cours des seize manches du calendrier, il monte huit fois sur le podium et inscrit des points lors de quinze épreuves, ce qui lui assure le titre de champion du monde.

A la suite du retrait de Mercedes, il rejoint l'écurie DS Penske pour les saisons 2023 et 2024. Durant cette période, il intègre également le programme officiel de Peugeot en WEC dans la catégorie reine, Hypercar. Il conserve par ailleurs un rôle de pilote de réserve en Formule 1, d'abord pour Mercedes, puis pour Aston Martin. Pour la saison 2024-2025, il poursuit son parcours en Formule E avec l'équipe Maserati MSG Racing et remporte une victoire à Tokyo.