Renault

Em 2004, aos 19 anos, Lucas foi escolhido entre cerca de 100 jovens pilotos de todo o mundo, para fazer parte do programa de desenvolvimento de jovens pilotos da equipe Renault de Formula 1, no qual permaneceu por 4 anos.^[7]

Em 2008, assume a condição de piloto de testes da equipe Renault, tornando-se reserva imediato dos titulares Fernando Alonso e Nelsinho Piquet.^[27] Ele participou de testes, guiando o Renault R28 em maio no Circuito Paul Ricard.^[28] Em setembro de 2008, Di Grassi esteve na sessão de testes com a Renault em Jerez, e o brasileiro impressionou ao atingir o terceiro melhor tempo.^[29] Após sua excelente temporada na GP2 e seus bons desempenhos nos testes, ele chegou a ser cotado para substituir o compatriota Piquet Jr. em 2009, mas a equipe acabou escolhendo o francês Romain Grosjean, que além de tomar a vaga de reserva de Di Grassi,^[30] também substituiu Nelsinho na equipe no decorrer da temporada.^[31]

Di Grassi chegou a testar o carro da Honda, na Espanha, junto com o conterrâneo Bruno Senna, sendo especulado que ele competisse na equipe em 2009. No entanto, com o fim das atividades da Honda na Fórmula 1, Lucas acabou sem chances de subir para a categoria principal do automobilismo com a equipe japonesa.^[32]

Em novembro, Di Grassi retornou ao circuito espanhol para mais uma sessão de testes com a Renault, juntamente com Bertrand Baguette e Ho-Pin Tung.^[33]

Virgin

No dia 10 de dezembro de 2009, a imprensa ao redor do mundo confirmou o contrato de Lucas com a Manor Grand Prix, e no dia 11 de dezembro do mesmo ano, o próprio piloto, a convite da Rede Globo de Televisão deu a notícia de seu contrato ao vivo no programa Globo Esporte.^[34] Segundo Lucas, esta equipe era a que possuía a melhor estrutura e maior chance de destaque entre as equipes novatas. A equipe Manor Grand Prix passou a se chamar Virgin Racing, empresa de Richard Branson, proprietário da Virgin Records que atua na indústria fonográfica. O Virgin Group já estava envolvido na Fórmula 1 desde o início de 2009, patrocinando a Brawn GP, que se tornou a equipe Mercedes GP em 2010. E no dia 15 de dezembro de 2009, Lucas foi confirmado oficialmente pela equipe Virgin Racing como titular para 2010,^[35] formando dupla com o alemão Timo Glock, que foi seu rival na GP2 em 2007.

Di Grassi fez uma boa temporada, dentro da possibilidades que carro e equipe lhe ofereciam. Ao longo do ano, abandonou oito das dezenove provas, mesmo número de abandonos que seu experiente companheiro de equipe, quase sempre por quebras no problemático VR-01. Além disso, teve um carro nas mesmas condições do companheiro em apenas 4 das 19 provas, ainda assim conseguindo muitas vezes andar no mesmo ritmo, ou até superá-lo. Não chegou a largar no Grande Prêmio do Japão e sua melhor posição de chegada foi uma 14° colocação no Grande Prêmio da Malásia,^[36] a três voltas do vencedor Sebastian Vettel.^[37] Terminou a temporada em 24º, sem nenhum ponto, mas uma posição à frente do companheiro de equipe Glock.^[38]

Seu contrato não foi renovado pela equipe Virgin, que priorizou os patrocinadores trazidos pelo belga Jérôme d'Ambrosio,^[39] com Di Grassi dizendo que "o dinheiro falou mais alto na Virgin", e que achava "uma pena" que as vagas das equipes de F1 estivessem "sendo vendidas".^[40] Lucas procurou vagas em outros times sem sucesso, então, o piloto afirmou tentar uma vaga de piloto de testes para 2011 e tentar voltar a ser titular em 2012.^[41]

Testes com a Pirelli

No dia 8 de abril de 2011, Di Grassi foi confirmado como piloto de testes da Pirelli, fornecedora oficial de pneus da Fórmula 1.^[42] Na fábrica italiana, o paulistano entrou no lugar do espanhol Pedro de la Rosa, visando desenvolver os pneus para a F1 em 2012.^[43] Segundo o próprio piloto, isso poderia ter sido uma vantagem em um possível retorno à categoria, uma vez que estava conseguindo muitas informações sobre os pneus.^[44] Mas esse retorno acabou não se concretizando.^[32]

Pós Fórmula 1

Sem chances de retornar à F1, Di Grassi focou em outras categorias do automobilismo, mas volta e meia, tece comentários a respeito da F1, e em 2018, chegou a demonstrar interesse em se candidatar à presidência da FIA no futuro.^[45] Em 2024, ele disse acreditar que a Fórmula 1 iria perder importância a longo prazo, com o crescente uso de carros elétricos e a diminuição da quantidade de carros a combustão.^[46]

Mundial de Endurance

Di Grassi fez sua primeira aparição no Campeonato Mundial de Endurance de 2012 nas 6 Horas de São Paulo, competindo pela Audi Sport Team Joest no lugar de Rinaldo Capello, que se aposentou após as 24 Horas de Le Mans. Di Grassi pilotou o Audi R18 e-tron quattro nº 2 ao lado de Kristensen e McNish,^[49] terminando em terceiro na classificação geral e fazendo a melhor volta da prova.^[50]

Em 2013, Di Grassi dividiu carro com Oliver Jarvis e Marc Gené e participou de duas provas: as 6 Horas de Spa-Francorchamps e as 24 Horas de Le Mans. Na corrida belga, o trio de Di Grassi fechou o pódio dominado pela Audi.^[51] Já na tradicional prova francesa, o carro de Di Grassi sofreu com um furo de pneu no início, mas reagiu para fazer mais um terceiro lugar geral, com o vencedor sendo o outro carro da Audi que continha Kristensen, McNish e Loïc Duval.^[52] Tais resultados deixaram Di Grassi e seus companheiros em nono lugar no campeonato de pilotos.

A Audi efetivou Di Grassi em 2014, e ele substituiu McNish, dividindo carro com Kristensen e Duval. O trio teve quatro pódios, incluindo o segundo lugar geral nas 24 Horas de Le Mans daquele ano,^[53] e eles terminaram o campeonato de pilotos em quarto lugar. Em 2015, Di Grassi e seu trio pontuou em todas as provas, mas só fez um pódio, um terceiro lugar no Circuito das Américas. Ele e seus companheiros foram novamente os quartos colocados. Em 2016, Di Grassi e Duval receberam Jarvis no carro #8 da Audi. Nesse ano, o brasileiro teve suas primeiras vitórias no WEC: em Spa e no Barém. Fez mais um pódio em Le Mans e mais três terceiros lugares, o que o deixou com o vice-campeonato, a 12,5 pontos do trio da Porsche, que continha Marc Lieb, Neel Jani e Romain Dumas.^[54][55]

Di Grassi foi convidado para retornar à categoria em 2017 pela Toyota, mas não recebeu autorização da Audi para correr na LMP1.^[56] Também recebeu convite para pilotar o carro da Ferrari nas 24 Horas de Le Mans, mas uma lesão num jogo de futebol o impediu de aceitar.^[57]

DTM

Após testar pela Deutsche Tourenwagen Masters, Di Grassi correu como convidado em duas rodadas duplas da DTM de 2021, mas não pontuou em nenhuma, e a melhor posição de chegada foi um 12º lugar na corrida 2 em Norisring.^[60]

Stock Car

2014 marcou a primeira incursão de Di Grassi na Stock Car Brasil. Ele correu com a RCM Motorsport ao lado de Thiago Camilo para a rodada de duplas no Autódromo José Carlos Pace, que abriu a temporada,^[61] mas a dupla se retirou na primeira volta devido a uma falha na embreagem.^[62] Ele e Camilo voltaram a correr na abertura da Stock Car em 2015, que dessa vez se deu em Goiânia, e eles conseguiram chegar em quinto.^[63] Em 2016, a rodada de duplas foi em Curitiba, e eles chegaram em 14º.^[64]

Em 2018, Di Grassi correu pela HERO Motorsport em dezessete das vinte e uma provas da Stock Car daquele ano. Sua primeira vitória foi em Curitiba, e ele repetiu o resultado em Londrina e em Cascavel. Mas ele só pontuou em mais quatro provas, e abandonou outras oito, e por isso, acabou na 12ª colocação, com 127 pontos, sete a menos do que Thiago Camilo.^[65]

Di Grassi fez um retorno único à Stock Car Brasil em 2019 como curinga para a Corrida do Milhão.^[66] Ele conquistou a pole position,^[67] e durante a prova, superou seu companheiro de equipe, Ricardo Maurício, na briga pela liderança, mas sua ultrapassagem foi considerada ilegal e recebeu uma penalidade de drive through. Di Grassi não conseguiu sacá-la em três voltas e foi desclassificado da prova. Mais tarde, ele reclamou que sua equipe não foi informada de que ele poderia ter devolvido a posição e evitado uma penalidade.^[68]

Audi ABT

Em 2014, Lucas Di Grassi ingressou na primeira temporada da Fórmula E pela equipe Audi Sport ABT Formula E Team, vencendo a primeira prova da categoria, disputada em Pequim. Após colisão entre Nicolas Prost e Nick Heidfeld, nos minutos finais da corrida, Di Grassi, que estava em terceiro, conseguiu ultrapassá-los, vencendo a corrida.^[69] Na etapa seguinte, em Putrajaia, o brasileiro chegou em segundo lugar, mantendo a liderança no campeonato.^[70] Porém, apesar de ter alcançado seis pódios, o maior número da temporada, ele terminou na terceira colocação na classificação geral, com o título indo para seu compatriota e velho companheiro da Renault Nelsinho Piquet.^[71]

Di Grassi brigou novamente pelo título em 2015–16, tendo como principal rival o suíço Sébastien Buemi. Em uma temporada muito boa, o brasileiro obteve três vitórias em Putrajaia, Long Beach e Paris. Teriam sido quatro se ele não tivesse sido desclassificado do ePrix da Cidade do México por conta do peso de seu carro. Foram sete pódios em dez etapas, o maior número da temporada, o que deixou Di Grassi e Buemi momentaneamente empatados na pontuação. Mas na prova de Londres, que encerrou a temporada, Di Grassi bateu na traseira de Buemi, e esse incidente quase gerou o abandono de ambos, o que daria o título ao brasileiro. Mas tanto a Audi quanto a Renault conseguiram devolvê-los à pista e fazê-los brigar pelos dois pontos extras da volta mais rápida, que acabaram indo para Buemi, com Di Grassi tendo que se contentar com o vice-campeonato.^[72] Sobre a batida, o brasileiro disse que não foi intencional.^[73] Contudo, Buemi afirmou um ano mais tarde que Di Grassi o culpou pela colisão na prova de Londres, o que fez com que o suíço dissesse que não respeitava o que o paulistano tinha feito naquela corrida.^[74]

Na temporada de 2016-17, Di Grassi seguiu com a equipe ABT Schaeffler Audi Sport, recebendo Daniel Abt, e travou mais uma batalha pelo título com Buemi. Apesar do suíço ter dominado a temporada com seis vitórias, ele perdeu pontos preciosos na Cidade do México, prova vencida por Di Grassi, e na corrida 1 em Berlim, além de se ausentar da rodada dupla de Nova Iorque, com todos esses fatores ajudando o brasileiro a ganhar terreno na disputa. Buemi liderou até a corrida 1 da última rodada em Montreal, em que foi novamente desclassificado, e isso impulsionou Di Grassi, vencedor da prova, a tomar a liderança pela primeira vez no ano. E com Buemi fora dos pontos na corrida que encerrou a temporada, Di Grassi só precisou de um sétimo lugar para ser campeão da F-E.^[75] Ao todo, Di Grassi teve duas vitórias, sete pódios e 181 pontos, com ele superando o suíço da Renault por 24 pontos.^[2]

Em 2017–18, Di Grassi teve um mau começo, ficando quatro corridas seguidas sem pontuar e abandonando duas vezes. Mas após um nono lugar no México, o brasileiro engatou uma sequência de sete pódios, acompanhada de duas vitórias em Zurique e na corrida 1 de Nova Iorque, que o colocaram como vice-campeão, um ponto acima de Sam Bird, mas 55 abaixo do campeão Jean-Éric Vergne.^[76]

2018–19 viu Di Grassi ter apenas três pódios, com dois deles sendo as vitórias em Cidade do México e em Berlim. As quatro corridas que ele ficou fora da zona de pontuação, incluindo o abandono em Mônaco, eliminaram todas as suas chances de brigar pelo título, com Di Grassi terminando em terceiro, a onze pontos de Buemi, mas dois pontos acima de Robin Frijns.^[77]

2019–20 foi a primeira temporada em que Di Grassi não conseguiu vitórias. A categoria enfrentou muitas dificuldades por conta da pandemia de COVID-19, e a Audi ABT ainda encarou problemas nos bastidores quando se viu forçada a demitir Daniel Abt por ele ter utilizado um piloto gamer profissional para ser seu "dublê" em uma corrida virtual.^[78] Assim, René Rast passou a ser companheiro de Di Grassi a partir da sexta rodada. O melhor resultado que o brasileiro alcançou na temporada foi um segundo lugar na corrida 2 de Daria, e além desse, Lucas só fez mais um pódio com o terceiro lugar na segunda corrida de Berlim. Com isso, Di Grassi terminou em sexto, que foi naquele momento a sua pior posição no campeonato de pilotos desde a estreia da categoria em 2014.^[79]

Para 2020–21, a Audi seguiu com Di Grassi e Rast, e o paulistano voltou a vencer na corrida 1 em Puebla, assim como na corrida 1 de Berlim. Ele até chegou a ter algumas chances de título, assim como outros onze pilotos do grid, mas o duplo abandono em Roma e a desclassificação na corrida 2 em Londres custaram caro, com Di Grassi tendo os mesmos 87 pontos que Sam Bird, mas ficando atrás dele por conta de um segundo lugar do britânico. Di Grassi foi o sétimo colocado, ficando a doze pontos de distância para o campeão Nyck de Vries.^[80]

Após a saída da Audi Sport ABT Schaeffler da Fórmula E, Di Grassi se viu obrigado a se despedir da equipe que defendeu por sete temporadas.^[81]

Venturi

Em 15 de setembro de 2021, foi anunciado que Di Grassi iria se transferir para a ROKiT Venturi Racing para a disputa da temporada de 2021–22, substituindo o compatriota Felipe Massa, que deixou a F-E em definitivo, e sendo novo companheiro de Edoardo Mortara.^[82][83] Di Grassi teve sua melhor temporada desde 2018–19, pontuando em onze das dezesseis corridas, fazendo quatro pódios e vencendo a corrida 2 em Londres, o que o colocou como recordista de vitórias da F-E, com 13 ao todo (mesmo número de Buemi),^[84] e o deixou na quinta posição no campeonato de pilotos. Mas ele foi superado por seu companheiro de equipe pela primeira vez durante seus oito anos de F-E, já que Mortara, o terceiro colocado, teve quatro vitórias e fez 43 pontos a mais.^[85]

A Venturi se uniu à Maserati, se convertendo na Maserati MSG Racing, mas a equipe não quis seguir com Di Grassi, mantendo Mortara e contratando Maximilian Günther para substituir o paulista.^[86]

Mahindra

Em agosto de 2022, Di Grassi assinou um contrato de múltiplos anos com a equipe Mahindra Racing para a disputa da Fórmula E a partir da temporada 2022–23, substituindo Alexander Sims e fazendo parceria com Oliver Rowland.^[87][88] O começo parecia promissor para Di Grassi, que fez uma pole na corrida de abertura na Cidade do México e chegou em terceiro, mesmo com o carro defasado,^[89] mas esse foi seu único grande resultado da temporada. Di Grassi só pontuou mais duas vezes, passando a maior parte do ano distante da zona de pontuação. Ele foi o décimo quinto colocado, somando os mesmos 32 pontos que o novato Sacha Fenestraz, mas ficando acima dele por causa desse pódio na capital mexicana.^[90] Com isso, em setembro de 2023, Di Grassi confirmou sua saída da Mahindra.^[91]

ABT Cupra

Em 29 de setembro de 2023, foi anunciado a contratação de Di Grassi pela equipe ABT CUPRA Formula E Team (que havia regressado a Fórmula E na temporada anterior) para a disputa da temporada de 2023–24, assim ele retornou para a equipe da ABT após duas temporadas.^[92] Seu companheiro foi o suíço Nico Müller.

Di Grassi voltou a ter uma temporada esquecível, pontuando em apenas três provas, mas passando longe do pódio, com seu melhor resultado sendo o nono lugar na corrida 2 de Londres.^[93] Seus quatro pontos colocaram Di Grassi na 23ª colocação, com ele sendo o pior dentre os pilotos que fizeram a temporada completa da F-E, e ficando atrás até do novato Taylor Barnard, que vinha da Fórmula 2 e só tinha feito três corridas naquele ano. No duelo com Müller, Di Grassi ficou muito aquém, fazendo 13 vezes menos pontos e ficando onze posições abaixo dele.^[94]

Lola Yamaha ABT

Mesmo tendo um desempenho muito inferior ao de seu companheiro Müller, Di Grassi permaneceu com a equipe, que foi transformada na Lola Yamaha ABT, para a disputa da temporada de 2024–25.^[1] Ele teve a companhia do novato barbadiano Zane Maloney, egresso da Fórmula 2.^[95] O começo do brasileiro foi difícil, com a Lola se mostrando como a pior equipe do grid. Um dos pontos negativos foi a sua desclassificação da corrida 1 de Gidá por uso excessivo de energia.^[96] Mas no caótico ePrix de Miami, Di Grassi brilhou e conseguiu terminar em segundo lugar, marcando o primeiro pódio da Lola na F-E. O brasileiro pontuou novamente ao ser quinto colocado em Tóquio (corrida 2) e nono em Xangai (corrida 2) e em Londres (corrida 2), o que o colocou na décima sétima colocação do campeonato, com 32 pontos, e fez do veterano o único piloto da Lola a pontuar na temporada, já que Maloney terminou zerado e na última posição do campeonato de pilotos.^[97][98]

Em 2025–26, a 12ª temporada dele e da F-E, Di Grassi voltou a ter Maloney como companheiro de equipe. Abandonou em São Paulo, enquanto seu companheiro conquistou o primeiro ponto da Lola na temporada.^[99] Chegou a ser sétimo no ePrix da Cidade do México, mas perdeu rendimento e terminou em 13º,^[100] mesma posição de chegada no ePrix de Miami.^[101] Na corrida 1 de Gidá, Di Grassi largou em vigésimo e chegou a saltar para a quarta posição, mas não conseguiu sustentar o ritmo e caiu para 16º,^[102] sendo 15º na corrida 2.^[103] O paulista fez outra arrancada em Madri, onde chegou a liderar a corrida, porém, fechou em 12º, seu melhor resultado até o momento.^[104] Voltou a figurar entre os líderes na corrida 1 do ePrix de Berlim, chegando a ultrapassar quatro carros, mas o fraco ritmo de seu carro e um erro estratégico da equipe no uso do pit boost o impediram de brigar seriamente pela vitória, terminando na décima sétima colocação.^[105] Na corrida 2, Lucas ficou em décimo sexto.^[106] Seus primeiros pontos da temporada vieram na rodada dupla de Mônaco, onde ele foi oitavo na corrida 1 e nono na corrida 2.^[107] Ele ainda viria a ser décimo em Sanya, após largar em vigésimo por ter trocado o motor e ainda cumprir uma punição de stop-and-go, lucrando com uma punição destinada a Wehrlein, originalmente o décimo colocado.^[108] Mas a sequência positiva foi quebrada com um 18º lugar na corrida 1 de Xangai. Di Grassi largou em 19º na corrida 2, mas foi eficaz ao adotar a estratégia de usar o Modo Ataque nas voltas finais da prova, ultrapassando Joel Eriksson e seu antigo rival Jean-Éric Vergne para vencer pela 15ª vez na carreira, quebrando um jejum de vitórias que perdurava desde o ePrix de Londres de 2022 e batendo o recorde de piloto mais velho a vencer na Fórmula E, aos 41 anos, dez meses e vinte e quatro dias. Esta também foi a primeira vitória da sua equipe, Lola Yamaha ABT, na categoria.^[109][110] Na etapa seguinte, em Tóquio, Di Grassi foi décimo primeiro nas duas corridas.^[111]

Em 30 de abril de 2026, Di Grassi anunciou sua aposentadoria da Fórmula E e do automobilismo profissional.^[112]