GP2 thumb|left|300px|Lucas Di Grassi w Campos Grand Prix w GP2 W roku 2006 zadebiutował w przedsionku Formuły 1 – GP2. Pierwszy sezon startów nie był jednak udany dla Brazylijczyka, który w klasyfikacji generalnej zajął odległą 17. lokatę. Zdecydowanie inaczej ułożył się drugi rok startów, kiedy to reprezentował już mistrzowski team ART Grand Prix. Zdobył wówczas tytuł wicemistrzowski, przegrywając nieznacznie walkę z Timo Glockiem. W roku 2008 Lucas dzielił starty w GP2 z obowiązkami kierowcy testowego Renault F1 i pomimo opuszczenia trzech pierwszych rund sezonu zdołał zająć 3. miejsce w mistrzostwach, ze stratą jednego punktu do drugiego miejsca w klasyfikacji generalnej. W sezonie 2009 reprezentował barwy hiszpańskiej ekipy Racing Engineering, a więc zespołu, w którym jeździł ubiegłoroczny triumfator - Giorgio Pantano. Mimo dużych nadziei rok ten nie należał do najlepszych i di Grassi ponownie musiał zadowolić się 3. pozycją w końcowej klasyfikacji. Głównym tego powodem była słabsza forma bolidu oraz wiele nie zawinionych kolizji.