2010 wechselte Bortolotti zum Addax Team in die neugegründete GP3-Serie. Er erzielte bei 16 Rennen fünfmal Punkte. Ein zweiter Platz beim letzten Rennen war sein bestes Ergebnis. Als bester Fahrer seines Rennstalls wurde er Gesamtelfter. Außerdem war er in diesem Jahr Mitglied im Förderprogramm von Ferrari. 2011 kehrte Bortolotti in die FIA-Formel-2-Meisterschaft zurück. Er gewann auf Anhieb und auf dem Nürburgring sowie in Barcelona gelang es ihm sogar, beide Rennen für sich zu entscheiden, beide Pole-Position zu holen sowie jeweils die schnellste Runde zu erzielen. Bortolotti kam immer unter den ersten sechs Piloten ins Ziel. Bei seinem Heimrennen in Monza sicherte er sich mit einem Sieg vorzeitig den Formel-2-Meistertitel. Insgesamt erzielte er in diesem Jahr 7 Siege und 14 Podest-Platzierungen aus 16 Rennen. Mit 316 zu 193 Punkten lag er am Saisonende deutlich vor dem Zweitplatzierten Christopher Zanella. Als Preis für den Formel-2-Titelgewinn erhielt er die Möglichkeit, für Williams an Formel-1-Testfahrten auf dem Yas Marina Circuit teilzunehmen.