W roku 2010 awansował do Formuły Renault 3.5. Reprezentując hiszpański zespół International DracoRacing, zmagania zakończył na 7. miejscu. W ciągu sezonu czterokrotnie meldował się w pierwszej trójce, w tym raz na najwyższym stopniu (podczas drugiego wyścigu, na francuskim torze Magny-Cours).
Formuła 3 W 2010 roku Nathanaël, startując w barwach francuskiej ekipy ART Grand Prix, zaliczył gościnny występ w jednej rundzie Brytyjskiej Formuły 3, rozegranej na belgijskim obiekcie Spa-Francorchamps (nie był liczony do klasyfikacji). Wystąpiwszy w trzech wyścigach, rywalizację zakończał w drugiej dziesiątce.
Seria GP2 W sezonie 2011 Berthon podpisał kontrakt z hiszpańską stajnią Racing Engineering, na starty w azjatyckim cyklu GP2. Zajął tam 23 miejsce. Rok później Francuz startował już w głównej serii. W ciągu 24 wyścigów, w których wystartował, dwukrotnie stawał na podium. Z dorobkiem 60 punktów uplasował się na dwunastej pozycji w klasyfikacji generalnej. Rok później przeniósł się do włoskiej ekipy Trident Racing. Tylko podczas rundy na Hungaroringu punktował. W głównym wyścigu był ósmy, co mu dało pole position do niedzielnego sprintu. W sprincie nie dał się wyprzedzić i odniósł swoje pierwsze zwycięstwo w tej serii. Ostatecznie uzbierane 21 punktów dało mu 20.