In der Saison 2007 wechselte Hartley zu Epsilon Euskadi. Er fuhr erneut im Formel Renault 2.0 Eurocup, dessen Meistertitel er in dieser Saison gewann, und startete in der italienischen Formel Renault, in der er den dritten Platz im Gesamtklassement belegte. 2008 trat er für Carlin Motorsport in der britischen Formel-3-Meisterschaft an. Mit fünf Siegen wurde er Dritter hinter seinen beiden Teamkollegen Jaime Alguersuari und Oliver Turvey. Außerdem nahm Hartley als Gaststarter an einigen Rennen der Formel-3-Euroserie teil. Beim Formel-3-Rennen in Macau wurde er vom 20. Startplatz aus Dritter. Im Dezember 2008 absolvierte er für Red Bull Racing seinen ersten Formel-1-Testtag. In der Formel-1-Saison 2009 war Hartley offizieller Ersatzfahrer von Red Bull Racing und der Scuderia Toro Rosso. Da Hartley zum Saisonbeginn noch keine, für den Start erforderliche, Superlizenz besaß, wurde er bei den ersten Rennen von David Coulthard vertreten. Vom Großen Preis von Spanien bis einschließlich zum Großen Preis von Großbritannien trat er als Ersatzfahrer der beiden Teams an und wurde danach durch den Spanier Jaime Alguersuari ersetzt, um sich auf sein Engagement in der Formel 3 konzentrieren zu können.