Вандорн розпочав свою кар'єру з картингу в 1998 у віці 6 років, в 2008 році виграв бельгійський чемпіонат KF2. У 2009 він фінішував другим у Світовому Кубку в категорії KF2[1].
Формула Рено
У 2010 році Вандорн перейшов в серію Формула-Рено 1.6. З першої спроби він став найкращим в серії, закінчивши рік з 6 перемогами[2].
У 2011 перейшов на клас вище, в Єврокубок Формули-Рено 2.0, виступаючи там за команду KTR[3]. У підсумковому заліку зайняв 5 місце, з одним подіумом в Угорщині і з 8 фінішами в очках протягом сезону[4]. Так само паралельно Вандорн брав участь в Formula Renault 2.0 Northern European Cup, де закінчив сезон третім з 8 подіумами[5].
На 2012 рік Вандорн залишився в Єврокубку, але покинув команду KTR і перейшов в Josef Kaufmann Racing[6]. У битві за чемпіонство Вандорн переміг в сезоні 2012 з перевагою в 10 очок над протеже Red BullДанилом Квятом.
Також Вандорн виступав на непостійній основі в Formula Renault 2.0 NEC, де здобув 5 перемог в 7 гонках, в яких брав участь, і ще в одній фінішував на подіумі.
У 2013, Вандорн піднявся ще на одну сходинку, перейшовши в Формулу Рено 3.5, де він змінив 2012 чемпіона Робіна Фряйнса в команді Fortec Motorsport. Вандорн став другим за підсумками сезону, поступившись лише більш досвідченому партнеру по системі розвитку McLarenКевіну Магнуссену, з 4 перемогами і 10 подіумами, включаючи перемогу на своєму домашньому Гран-прі Бельгії.
GP2
У січні 2014 року було оголошено, що Вандорн дебютує в GP2 за команду ART Grand Prix. У першій же гонці він приніс команді перемогу. Але далі команда ART на деяких трасах почала відчувати проблеми з настройками, і Вандорну зрідка вдавалося потрапляти на подіум, а іноді і в очки. Друга половина сезону складалася набагато краще. В останніх чотирьох кваліфікаціях Вандорн брав поул-позиції. У підсумку сезон Вандорн закінчив на 2-му місці, позаду ветерана GP2 Джоліона Палмера, з 4 перемогами (3 з них у суботніх гонках) і 6 подіумами по ходу сезону.
Набрані під час 2015 року очки дозволили Вандорну достроково завоювати чемпіонський титул[7].
Формула 1
У лютому 2013 року Вандорн завдяки своїм виступам і роботі менеджера Річарда Годдарда[8] зміг приєднатися до молодіжної програми розвитку McLaren[9]. У січні 2014 роки він став третім пілотом McLaren, паралельно виступаючи в GP2, де лідирував в чемпіонаті з великим відривом[10]. Дебютував у Формулі-1 на Гран-прі Бахрейну, замінивши на одну гонку травмованого Алонсо і відразу домігся успіху, заробивши очко, фінішувавши на 10-му місці. Частину сезону Стоффела провів в Super Formula, зайнявши там четверте місце з двома перемогами.
Восени 2016 року Вандорн замінив в основному складі McLaren Дженсона Баттона, ставши напарником Фернандо Алонсо в сезоні 2017 року[11]. Боротися за хороші результати машина не дозволяла, проте вдалося непогано показати себе на тлі титулованого напарника, тричі фінішувавши в очках і заробивши 13 очок — проти п'яти фінішів і 17 очок відповідно у Алонсо. Найкращим фінішем стали два сьомих місця в Сінгапурі і Малайзії.
Продовживши в серпні 2017 роки контракт з командою, новий 2018 сезон Стоффела почав ударно, тричі фінішувавши в очках за чотири гонки. Однак потім пішла серія невиразних фінішів в середині другої десятки — при тому що Алонсо більш-менш регулярно заробляв очки. Лише за дві гонки до кінця в Мексиці вдалося ще раз фінішувати дев'ятим, а в цілому сезон був закінчений на 16-му місці з 12 очками. В кінці сезону Вандорн покинув команду, перейшовши в «Мерседес» на посаду пілота симулятора.
Подальші виступи
Крім роботи на симуляторі, в кінці 2018 сезону Вандорн уклав контракт на виступи в сезоні 2018/2019 Формули E в складі дочірньої команди «Мерседеса» — HWA Racelab[12]. Партнером Вандорна по новій команді став дворазовий чемпіон DTM Гері Паффетт. Дебютний для команди сезон Стоффела почав не дуже добре, фінішувавши поза очок на перших чотирьох етапах. Однак на п'ятому етапі в Гонконзі він зміг завоювати поул-позицію в Гонконзі, ще через етап — в Італії — фінішував на нижній сходинці подіуму, і в подальшому майже в кожній гонці фінішував в десятці кращих, посівши за результатами сезону 16-е місце з 35 очками. Титулований напарник відстав майже вчетверо, набравши всього 9 очок. Вандорн продовжив виступати за Мерседер у Формулі E у сезоні 2019/2020 років, його напарником став чемпіон Формули 2 Нік де Вріс[13].
Крім того, Вандорн в складі російської команди SMP Racing в одному екіпажі з Михайлом Альошиним і Віталієм Петровим взяв участь в гонці «24 години Ле Мана», зайнявши за результатами даного марафону третє місце в загальному заліку.
На сезон 2022-2023 років підписав контракт із командою DS Penske[14].