2017年9月、山尾氏の民進党幹事長起用が内定していたが、急きょ取りやめとなる異例の事態に。その数日後、倉持氏との不倫疑惑を週刊文春が報じた。騒動が広がったことから、党に迷惑をかけるとして離党届を提出。その際、報道陣に「(倉持氏とは)男女の関係はありません」と交際をきっぱり否定したが、一方的に会見を打ち切り、批判を浴びた。
翌月の衆院選では愛知7区から無所属で出馬し、自民候補を834票差で破り3選目を果たした。11月7日には、神奈川新聞のインタビューに応じ、倉持氏を近く政策顧問に迎え入れることを明らかにし「むき出しの好奇心には屈しない」などと反論。12月10日には、山尾、倉持両氏そろって都内でのイベントに出席した。年末には、立憲民主党に入党した。