A harmadik szabadedzésen még a péntekihez hasonló hűvös időben versenyzett a mezőny Mexikóban, az időmérőre azonban jócskán felmelegítette a pályát a nap. Az edzés elejére 49 fokra, a hétvégén eddig nem látott értékre melegedett a pálya, de ez végül nem oldotta meg a gumimelegítési gondokat.
Az időmérő rögtön egy kieséssel indult: Jolyon Palmer erősítette meg húsz perccel a kvalifikáció kezdése előtt, hogy nem tud részt venni az edzésen, mert a kasztniján repedést talált a Renault.
A kasztni az övek környékén repedt meg, miután a brit pilóta átment egy kerékvetőn a harmadik edzésen. Mivel a kasztni cseréje mindenképp bokszutcai rajtot jelent, a Renault neki sem állt a rendkívül időigényes cserének a harmadik edzés és az időmérő közötti két órában.
Rögtön kiderült, hogy a meleg aszfalt ellenére is két melegítő körre van szükség a szuperlágy gumikkal, az első igazán komoly időt Danyiil Kvjat jegyezte. Már az utolsó szabadedzésen látszott, hogy a forgalommal komoly gond lehet a rövid pályán, és ahogyan arra számítani lehetett, nagy is volt a tumultus a Q1-ben.
A Q1 közepén előbb Hamilton, majd rögtön utána Vettel vette át a vezetést. Nem sokkal később érkezett Räikkönen, és három tizeddel megelőzte Vettelt, míg Rosberg megkapta az ezen a hétvégén szokásos négy tizedét Hamiltontól. Aztán a német javított, néhány ezredre csökkentette a különbséget.
Öt perccel a Q1 vége előtt Hamilton állt az élre, egy tizeddel volt gyorsabb Räikkönennél. A szokásos recepttel ellentétben ezúttal egyre jobb köröket is lehetett menni a szuperlágy gumikkal.
A Q1-ből az el sem induló Palmeren kívül a motorjára panaszkodó, és emiatt sokáig a bokszban veszteglő Kvjat, Gutierrez, Nasr, Ocon és Grosjean esett ki, a francia éppen csapattársa megforgása miatt veszítette el minden esélyét a javításra.
A Q2-t lágy gumikkal kezdte a pilóták nagy része, többen is így próbáltak továbbjutni, hogy ezzel a keverékkel rajtolhassanak a keveset bíró szuperlágy helyett. Ricciardo és Verstappen maradt a szuperlágynál.
A Mercedes a Q2-re szokás szerint feltekerte a motort, Hamilton pedig lágy gumival is azonnal megfutotta azt az időt, amit Verstappen szuperlágyon futott a harmadik szabadedzésen, és meg is nyerte vele azt az edzést.
Vettel két és fél tizedet kapott Hamiltontól, a Hamiltonhoz hasonlóan forgalomba kerülő Rosberg hat tizedes hátránnyal állt a harmadik helyen. Verstappen a szuperlággyal 165 ezreddel autózott jobb időt Hamiltonnál, Ricciardo viszont csak egy negyedik helyet hozott.
Négy perccel a Q2 vége előtt Räikkönen szuperlágyakon ment ki a pályára, úgy tűnt, hogy a Ferrari szétszedte a két pilótája stratégiáját. Ugyanígy tett Rosberg is, de ő maradt a lágyakon.
A Q2-t végül Verstappen nyerte Hamilton és Vettel előtt, kiesett Alonso, Perez, Button, Magnussen, Ericsson és Wehrlein. Hülkenberg alaposan elverte a hazai közönség előtt versenyző Perezt, de bejutott a Q3-ba Sainz is. A Mercedesek és a Ferrarik a versenyen lágy, míg a Red Bullok szuperlágy gumival indulnak (Räikkönen nem javított utolsó próbálkozására.)
A Q3-as tűzijátékot Hamilton kezdte az élen, Rosberg az első próbálkozásra fél másodpercet kapott csapattársától, és csak a negyedik helyen állt a két Red Bull mögött. Valami nagyon nem akart összeállni a németnek, még Hülkenberget is alig tudta megelőzni. Vettelnek sem jött össze az első köre, nagy hátrányt szedett össze ő is, hét tizedet kapott Räikkönentől.
A véghajrában csak Rosberg tudott jelentősen javítani, az utolsó pillanatban, a semmiből előhúzta addigi legjobb körét, és megszerezte a második helyet – végül „csak” két és fél tizedet kapott Hamiltontól. Verstappen lett a harmadik, Ricciardo a negyedik, míg Hülkenberg meglepetésre elcsípte az ötödik helyet, megelőzve mindkét Ferrarit. Ezúttal Räikkönen volt a jobb, öt ezred döntött a Ferrari házi csatájában.
