Im Herbst 2008 nahm Lucas di Grassi an Formel-1-Testfahrten für Renault F1 und Honda Racing F1 teil. Nachdem di Grassi für 2009 unter anderem wegen des Rückzugs von Honda kein Formel-1-Cockpit erhalten hatte, blieb er in der GP2-Serie und ging für Racing Engineering, dem Team mit dem Giorgio Pantano 2008 den Meistertitel gewonnen hatte, an den Start. Di Grassi gewann das Sprintrennen in Istanbul und stand bei sieben weiteren Rennen auf dem Podest. Er schloss die Saison auf dem dritten Gesamtrang ab. Damit war di Grassi der erste GP2-Pilot, der drei Jahre in Folge unter den ersten drei Fahrern platziert gewesen war. Mit 63 zu 4 Punkten gewann er das interne Duell gegen seinen Teamkollegen Dani Clos deutlich. In der Formel 1 fungierte di Grassi ab dem Großen Preis von Europa wieder als Renault-Ersatzfahrer.