В 2007—2010 годах Мальдонадо провёл четыре сезона в GP2, параллельно периодически стартуя в Евросерии 3000 и кузовном первенстве International GT Open. Уже на первых тестах продемонстрировав неплохую скорость, Мальдонадо долгое время не мог добиться успеха, а по ходу своего первого сезона в GP2 попал в серьёзную аварию на тренировке, сломав себе ключицу. Постоянные смены команд и не самая большая стабильность результатов венесуэльца затянули его путь к титулу на четыре сезона — лишь в 2010 году, выдав серию из шести побед подряд в длинных гонках уик-энда, он смог завоевать титул. Параллельно менеджмент пилота постоянно искал возможность сделать его основным пилотом в «Формуле-1», но лишь накануне сезона-2011 смог найти ему место боевого пилота в команде Williams, испытывавшей ряд финансовых проблем из-за ухода части спонсоров. На Гран-при Бельгии 2011 набрал своё первое очко в чемпионате, опередив на трассе более быстрые машины Force India и Renault. Через год британский коллектив сменил поставщика моторов, что позволило резко улучшить результаты: Мальдонадо и его партнёр Бруно Сенна регулярно боролись в очковой зоне в гонках, а на Гран-при Испании Мальдонадо смог воспользоваться неудачами лидеров сезона, сначала завоевав поул-позицию, а затем и выиграв единственную гонку в «Формуле-1». За всю карьеру в Ф-1 Пастор ни разу не поднимался выше пятого места, кроме этой гонки. За сезон набрал лишь 45 баллов, оказавшись в личном зачёте на 15-й строчке.