Lo stesso argomento in dettaglio: Campionato mondiale di Formula 1 2016.

Nel settembre 2014, la Mercedes annunciò l'ingaggio di Wehrlein come terzo pilota^[11]. Prese parte ai test prestagionali tenutisi a Barcellona, alla guida sia della Force India sia della Mercedes.

Nel febbraio 2016, la Manor ingaggiò Wehrlein in qualità di pilota titolare^[1][10]. La Manor ottenne l'accesso alla galleria del vento della Mercedes in cambio dell'assunzione del pilota tedesco^[12].

Wehrlein fece il suo esordio al Gran Premio d'Australia, che concluse al sedicesimo posto dopo essere partito in ultima posizione, venendo staccato di un giro dal vincitore Nico Rosberg.

Nel Gran Premio del Bahrein 2016 migliorò questo risultato, rimanendo a centro gruppo e chiudendo in tredicesima posizione.

Il 18 maggio 2016 prova la Mercedes W07 durante i test seguenti al Gran Premio di Spagna, sostituendo Esteban Ocon.

Nel Gran Premio d'Austria Wehrlein si mise in luce, sfruttando la buona competitività della sua Manor. Il pilota tedesco si qualificò al dodicesimo posto, miglior risultato di sempre per la scuderia britannica, tagliando poi il traguardo in decima posizione in gara e ottenendo il primo punto in carriera.

Nonostante alcune altre buone prestazioni, il punto ottenuto in Austria rimase l'unico della stagione, al termine della quale Wehrlein annunciò il suo passaggio in Sauber per il 2017.

Lo stesso argomento in dettaglio: Campionato mondiale di Formula 1 2017.

La stagione 2017 non iniziò nel migliore dei modi per Wehrlein, che, infortunatosi durante la Race of Champions, fu costretto a saltare la prima sessione di test invernali a Barcellona. Wehrlein tornò in pista per la seconda sessione di test, svoltasi una settimana più tardi, dicendosi pronto ad affrontare al meglio la stagione. A Melbourne però, dopo aver preso parte alle prime due sessioni di prove libere, dovette dare forfait per via del suo ancora precario stato di forma e fu sostituito da Antonio Giovinazzi.^[13]

Sostituito dal pilota italiano anche in Cina, Wehrlein tornò al volante nel Gran Premio del Bahrein, tagliando il traguardo in undicesima posizione. Nel Gran Premio di Spagna giunse ottavo, conquistando i primi punti della stagione per la Sauber. Giunse nuovamente a punti nel rocambolesco Gran Premio d'Azerbaigian, nel quale arrivò decimo su dodici piloti al traguardo.

Nel resto della stagione la scarsa competitività della Sauber relegò il pilota tedesco nelle retrovie, impedendogli di lottare per la zona punti. Wehrlein colse il miglior risultato nel Gran Premio di Singapore, chiuso in dodicesima posizione.

A fine stagione il team elvetico annunciò i nomi dei piloti per il 2018: fu riconfermato Marcus Ericsson, affiancato dall'esordiente Charles Leclerc^[14]. Con questa decisione la Sauber di fatto estromise Wehrlein.

Nel 2018, in assenza di un sedile come pilota titolare, viene confermato per il quinto anno consecutivo collaudatore della Mercedes^[15].

Nel 2019 viene ingaggiato dalla Ferrari come pilota di sviluppo al simulatore, venendo poi riconfermato per la stagione 2020^[16][17].

Nella stagione 2018-2019 prende parte al Campionato di Formula E con il team Mahindra Racing, ma salta la prima gara per problemi legati al contratto con la Mercedes.^[18][19] Esordisce dunque a Marrakech il 12 gennaio. In gara abbandona subito per una tamponata subita da Lucas Di Grassi, dopo un'ottima qualifica. A Santiago fa una gara eccellente, terminata al 2º posto dietro a Sam Bird, che lo ha passato nelle prime fasi di gara, conquistando il suo primo podio nella categoria. Nell''E-Prix di Città del Messico fa la pole position e conduce la gara fino all'ultimo metro, quando Di Grassi lo supera sulla linea, a causa dell'energia a 0: riceverà poi una penalità per aver tagliato una curva nel duello con il brasiliano; sarà classificato 6º. A Hong Kong si ritira subito per un incidente con Felipe Nasr e il compagno Jérôme d'Ambrosio. Seguono vari piazzamenti a punti; 7º a Sanya, 10º sia Roma sia a Parigi, mentre a Montecarlo parte 2º, ma fa un errore che lo fa retrocedere al 4º posto; non riesce a rimediare e arriva in questa posizione. A Berlino arriva 10º, mentre a Berna è protagonista di una gara maledetta: prima viene colpito e incastrato nel muro da Maximilian Günther, la squadra ripara la macchina approfittando di una bandiera rossa, quindi torna in gara, ma poco dopo ha un problema alla macchina e si deve ritirare. A New York arriva 7º nella prima gara e 12º nella seconda. Termina la stagione al 12º posto con 58 punti ottenuti.

Il team Mahindra Racing conferma Wehrlein per la stagione 2019-2020^[20]. Nelle prime due gare stagionali a Dirʿiyya non raggiunge i punti ma nell'E-Prix di Santiago lotta per il podio, ma alla fine si deve accontentare del quarto posto. Nella gara a Marrakech finisce 22º poi la Formula E si ferma a causa della pandemia di COVID-19 e riprende in agosto a Berlino, ma Wehrlein non ne prende parte: la Mahindra lo sostituisce con Alex Lynn^[21].

Nella nuova stagione Wehrlein passa alla Porsche insieme ad André Lotterer^[22]. Arriva a punti in tutte le prime cinque E-Prix della stagione con anche un terzo posto nella seconda gara dell'E-Prix di Roma. Nelle tre gare successive non raggiunge i punti, in Messico conquista la pole-position nella prima qualifica, in gara taglia il traguardo per primo ma poi viene squalificato, visto che il suo team non aveva comunicato i treni di pneumatici Michelin montati sulle proprie monoposto^[23]. Nella seconda gara sul tracciato messicano arriva 2º ma riceve un'altra penalità che lo esclude dal podio, portandolo al quarto posto^[24]. Conclude la stagione al 11º posto.

Nel agosto del 2021 Wehrlein insieme a Lotterer vengono confermati della Porsche per l'ottava stagione della Formula E^[25]. Nel E-Prix di Città del Messico la Porsche si dimostra molto competiva, Wehrlein conquista la pole potions e poi la vittoria davanti al compagno Lotterer^[26][27]. Nel resto della stagione non arrivano altri grandi risultati, chiude la sua seconda stagione con il team tedesco al decimo posto.

Rimasto con la Porsche anche per il 2023, Wehrlein ottiene un ottimo inizio di stagione con il secondo posto dietro a Jake Dennis nella prima gara stagionale in Messico e le vittorie nelle successive due gare in Arabia Saudita. Dopo diversi risultati altalenanti, nel E-Prix di Giacarta ritorna alla vittoria davanti a Dennis e Maximilian Günther^[28].

Anche nella stagione successiva rimane con Porsche, dove inizia bene il campionato in Messico conquistando prima la Pole Position e poi la vittoria in gara^[29]. La sua seconda vittoria in gara due dell'E-Prix di Misano dopo che il suo rivale, Oliver Rowland ha esaurito la batteria al ultimo giro^[30]. Il pilota tedesco si dimostra molto costante durante la stagione, nel ultimo round dell'E-Prix di Londra ottiene la vittoria in gara uno e il secondo posto in gara due. Questi risultati portano Wehrlein a diventare campione del mondo davanti alle due Jaguar di Evans e Cassidy^[31].

Wehrlein viene confermato anche per la stagione 11 insieme al suo compagno di team, António Félix da Costa^[32].