Sebastian Vettel conquistou a pole-position para o GP da Rússia nos instantes finais da sessão de classificação em Sochi, à frente do seu companheiro de equipe Kimi Raikkonen, com a Ferrari dominando a primeira fila pela primeira vez desde 2008. Raikkonen assumiu a pole provisória depois da primeira tentativa de cada piloto no Q3, mas não conseguiu melhorar em sua segunda, com Vettel pulando à frente com 1:33.194.
A Mercedes, tendo ficado atrás da Ferrari durante os treinos livres, sofreu novamente para bater o ritmo da equipe italiana, terminando em terceiro e quarto no grid. Valtteri Bottas, que conquistou a pole no Bahrain, foi quem chegou mais perto da dupla da Ferrari, terminando a 0.095s de Vettel, e apenas 0.036s atrás de Raikkonen. Lewis Hamilton brigou com Nico Hulkenberg por uma posição na pista no começo da fase final do treino classificatório e não conseguiu encontrar um ritmo, terminando a meio segundo dos líderes na quarta posição.
O brasileiro da Williams, Felipe Massa, dividiu a dupla da Red Bull, Daniel Ricciardo e Max Verstappen, enquanto Hulkenberg, que lutou para passar Hamilton, cravou o oitavo melhor tempo. A Force India conseguiu pela primeira vez na temporada colocar seus dois carros no Q3, com Sergio Perez e Esteban Ocon progredindo em rota para nono e 10º, respectivamente. Carlos Sainz Jr. por pouco ficou de fora da fase final, em 11º, mas cairá três posições no grid depois de sua batida com o novato da Williams, Lance Stroll, no GP do Bahrain. Isto promove Stroll, que cometeu um erro no trecho final, seu companheiro Daniil Kvyat, que lamentou pelo rádio, dadas as pequenas margens, e Kevin Magnussen, da Haas. Fernando Alonso conseguiu uma volta “quase perfeita” para conseguir avançar com sua McLaren do Q1, mas terminou meio segundo atrás de todos os outros pilotos no Q2, o que ele descreveu como “inacreditável”. Jolyon Palmer sofreu sua terceira saída no Q1 em quatro etapas ao acertar a zebra e escorregar até a barreira de proteção na Curva 4, causando danos significativos em sua Renault. Palmer entrou no treino classificatório com um novo chassi, que foi montado durante a noite, e um novo motor, que foi instalado depois de ele reclamar da perda de potência no último treino livre.
Stoffel Vandoorne terminou em 17º, mas cairá para o fim do grid por instalar a quinta unidade de potência em seu carro depois de mais uma sexta-feira de treinos atribulada. Pascal Wehrlein, que rodou em sua volta final, superou seu companheiro de Sauber, Marcus Ericsson, pela 18ª posição, enquanto Romain Grosjean, companheiro de Magnussen na Haas, cravou o tempo mais lento do Q1.
