Vandoorne tuvo su primera experiencia en el automovilismo a los 6 años cuando visitó una pista de karting de interiores en su ciudad natal; su padre, un arquitecto local, diseñó un restaurante adjunto al circuito, y el dueño le permitió que Stoffel practicara ahí.

Terminó quinto en la general, con un podio en el circuito de Hungaroring, y puntuó en otras ocho carreras durante toda la temporada.

Vandoorne permaneció en la Eurocopa de Fórmula Renault 2.0 para el 2012, pero dejó su equipo KTR para unirse a Josef Kaufmann Racing.

Terminó en la segunda posición por detrás del más experimentado Kevin Magnussen, con cuatro victorias y diez podios en 17 carreras.

[6]​ Stoffel fichó para el equipo francés ART Grand Prix en enero de 2014 para correr en la GP2, serie de apoyo directa a la F1 y que le permitió a Vandoorne también ser nombrado 3er piloto del equipo McLaren.

Vandoorne continuó una temporada más en GP2 Series con ART Grand Prix con Nobuharu Matsushita como su compañero de equipo.

El 12 de febrero del 2016 se anunció que Vandoorne correría en la Super Fórmula para Dandelion Racing.

Así, se convirtió en el primer piloto reserva en puntuar en su debut desde Sebastian Vettel en el Gran Premio de Estados Unidos del 2007.

Sin embargo, conforme la temporada progresó, batalló para mantener su buen momento y el McLaren también demostró que el cambio de motor no erradicó todos sus problemas.

Vandoorne terminó la temporada en 16, con solo 12 puntos,[12]​ y aunque hacia el final de la temporada mejoró en sus batallas en pista, esto no le fue suficiente para mantener su posición en el equipo; en septiembre se había anunciado que no seguiría en el equipo.