Nagu enamik vormelisõitjaid, alustas ka Lucas Di Grassi kardisportlasena. 2000. aastal tuli ta Vormel A maailmameistrivõistlustel 5. kohale ja see jäigi tema tippsaavutuseks kardispordis. Maailmameistriks tuli Sérgio Jimenez.
2002. aastal osales ta Brasiilia Vormel Renault 2.0 sarjas. 10 etapist kogus ta 2 etapivõitu ja 1 kvalifikatsioonivõidu. Ta saavutas teise koha, jälle Sérgio Jimenezi järel.
2003. aastal osales ta kahes sarjas. Lõuna-AmeerikaVormel 3 meistrivõistlustel osales ta 12 etapil, võitis 3 kvalifikatsiooni ja 1 etapi, aga poodiumile jõudis koguni 11 korda ja oli Nelson Piquet juuniori järel teine.
Euroopa Vormel 3 meistrivõistlustel sõitis ta 4 etappi, tuli korra 4. kohale, aga teistelt punkte ei saanud. Seda tulemust ei peetud heaks ja ta vahetati välja Robert Kubica vastu, kes kohe järgmise etapi võitis ja ülejärgmisel tuli teiseks. Hooaja kokkuvõttes oli Di Grassi 21., aga näiteks Christian Klien 2., Timo Glock 5., Nico Rosberg 8. ja Kubica 12. Uustulnukate arvestuses võitis Klien Rosbergi ees, Kubica oli 5. ja Di Grassi 10.
2004. aastal sõitis ta Suurbritannia Vormel 3 sarjas meeskonnas Hitech Racing, kus tema meeskonnakaaslane oli Marko Asmer. Nad sõitsid kõik 24 etappi. Asmer ei tulnud kordagi poodiumile, aga Di Grassi võitis 2 etappi, oli korra teine ja 3 korda kolmas, võitis ka 3 kvalifikatsiooni ja oli 130 punktiga 8. Meistriks tuli Nelson Piquet juunior 282 punktiga, Asmer oli 87 punktiga 10. Meeskondlikult oli Hitech Racing 281 punktiga 4., kaotades 1 punktiga ilma kaaslasteta sõitnud Piquet'le.
2005. aastal sõitis Di Grassi taas Euroopa Vormel 3 meistrivõistlustel. Ta võitis 2 kvalifikatsiooni ja sõitis ühe kiireima ringi, võitis 1 etapi, oli 3 korda teine ja 2 korda kolmas ning oli kokkuvõttes 68 punktiga kolmas. Lewis Hamilton võitis 15 etappi ja tuli 172 punktiga Euroopa meistriks, Adrian Sutil oli 94 punktiga teine ja Sebastian Vettel 63 punktiga viies. Meeskondlikult langesid Di Grassi ja tema kaaslane Paul di Resta viimase etapiga 100 punktiga kolmandaks, kui Di Grassi katkestas ja di Resta diskvalifitseeriti, teisest kohast jäi lahutama 3 punkti.
GP2
2006–2009 sõitis Di Grassi GP2 sarjas Durango meeskonnas. Esimesel aastal oli ta veel õpipoiss, 21 etapist jäi parimaks kohaks 5. Kogutud 8 punkti andsid kokku 17. koha. Tema kaaslane Sergio Hernández lisas veel 1 punkti ja kokku saadi meeskondlik viimane, 13. koht. Individuaalselt võitis Lewis Hamilton 114 punktiga Nelson Piquet juuniori (102) ees. Timo Glock oli 58 punktiga 4., Giorgio Pantano 44 punktiga 5., José María López 30 punktiga 10. ja Di Grassi 17., aga Vitali Petrov ei saanud ühtki punkti ja oli 28.
2007. aastal vahetas Di Grassi meeskonda ja oli uue meeskonna ART Grand Prix' vaieldamatu liider. Ta võitis 21 etapist 1, oli 2 korda teine ja 4 korda kolmas. Punkte jagati ka kiireimate ringide eest, neid Di Grassi ei saanud nagu kvalifikatsioonivõitegi, aga kokku oli ta 77 punktiga teisel kohal Timo Glocki (88 punkti) järel ja Giorgio Pantano (59 punkti) ees. Ainult 1 etapivõit andis teise koha sellepärast, et punktid jagunesid väga suure hulga võistlejate vahel: etapi võitis 12 sportlast ja poodiumile jõudis neid 18. Bruno Senna oli 8. ja Vitali Petrov 13. Sérgio Jimenez, kellele Di Grassi noorpõlves kaotas, oli alles 24. Meeskonnakaaslased toetasid Di Grassit mõne üksiku punktiga, kuid aitasid meeskonna 86 punktiga teiseks.
Di Grassi testis 2008. aastal Hiina Grand Prix'l Honda F1-vormeleid.
2008. aastal sõitis Di Grassi Campose meeskonnas koos Vitali Petroviga. Seekord jaotusid punktid veel suurema hulga osavõtjate vahel: etapi suutis võita 12 ja end poodiumile sõita 19 sportlast. Di Grassi võitis 3 etappi, oli 3 korda teine ja sõitis 2 kiireimat ringi. Sellegipoolest jäi ta 63 punktiga 3. kohale, jäädes maha Giorgio Pantanost (75) ja Bruno Sennast (64). Romain Grosjean oli 62 punktiga neljas, Sébastien Buemi 50 punktiga 6. ja Vitali Petrov 39 punktiga 7. Seevastu Marko Asmer jäi 28. kohale, suutmata kordagi esikümnesse jõuda. Campos võitis 103 punktiga meeskondlikult.
2009. aastal sõitis Di Grassi meeskonnas Fat Burner Racing. Etapivõite läks 11 sportlasele, poodiumile jõudis neid 21. Di Grassi võitis 1 kvalifikatsiooni ja 1 etapi, oli 3 korda teine ja 4 korda kolmas. See andis 65 punktiga kolmanda koha. Võitsid Nico Hülkenberg 100 ja Vitali Petrov 75 punktiga. Romain Grosjean oli 45 punktiga neljas Kamui Kobayashi 16. Di Grassi kaaslane Dani Cios sai punkte ainult ühelt etapilt (viimasel etapil oli 3.) ja meeskondlikult jäi Fat Burner 3.–4. koha jagamisel neljandaks: võite oli kummalgi meeskonnal üks, aga teisi kohti oli Di Grassil vähem.
