Il pilota anglo-caraibico della Mercedes gira in 1'19"149 (nuovo record della pista, cancellato l'1'19"995 di Webber del 2010) e centra la 64esima pole position della carriera, a -1 da Senna. Hamilton, che era già partito in prima posizione in Australia e Cina in questa stagione e alla terza pole in Spagna dopo quelle del 2014 e del 2016, sarà affiancato in prima fila dalla Ferrari di Sebastian Vettel, secondo per appena 51 millesimi.
Alle loro spalle i compagni di squadra, con Valtteri Bottas terzo e Kimi Raikkonen con l'altra Rossa quarto. Terza fila tutta Red Bull con Max Verstappen e Daniel Ricciardo, ottimo settimo posto per Fernando Alonso con la McLaren davanti a Sergio Perez (Force India), Felipe Massa (Williams) ed Esteban Ocon (Force India) che completano la Top Ten.
Erano rimasti fuori dalla lotta per la pole position nel corso della seconda manche Kevin Magnussen (Haas), Carlos Sainz (Toro Rosso), Nico Hulkenberg (Renault), Romain Grosjean (Haas) e Pascal Wehrlein (Sauber). Eliminati invece nel Q1 Marcus Ericsson (Sauber), Jolyon Palmer (Renault), Lance Stroll (Williams), Stoffel Vandoorne (McLaren) e Daniil Kvyat (Toro Rosso).