I 2012 stilte Magnussen til start i Formel Renault 3,5-liter for Carlin Motorsport. Han vant et løp på Spa-Francorchamps og fullførte sesongen på syvendeplass i mesterskapet. I 2013 var Magnussen fremdeles i Formel Renault 3,5 men gikk nå over til DAMS-laget. Han vant på Alcañiz, Spa-Francorchamps, Paul Ricard og to ganger i Barcelona. Han tok pallplasseringer i 13 av 17 løp og vant mesterskapet med 274 poeng.