Brazil gokartos és Formula Renault-s előzmények után di Grassi 2004-ben érkezett az Óvilágba, ahol előbb a Brit Forma-3-ban, majd a következő évben a az F3-Euroseriesben versenyzett.
2006-tól a GP2-ben indult, ahol 2007-ben második lett Timo Glock mögött, a következő két évben pedig a harmadik helyen zárt. A pilóta a Renault utánpótlásprogramjának tagja volt, 2010-re azonban nem a francia csapat, hanem egykori F3-as alakulata, a Manor Forma-1-es csapata, a Virgin Racing szerződtette.
