Lucas di Grassi a longtemps été considéré comme un éternel prétendant à une place en Formule 1. Le Brésilien a évidemment commencé sa carrière en karting. En 2000, il est cinquième du championnat du monde de Formule A, son meilleur résultat dans cette catégorie.

En 2002, il passe à la monoplace et dispute le championnat brésilien de Formule Renault, qu'il termine à la deuxième place. En 2003, il participe au championnat d'Amérique du Sud de Formule 3. Sa saison est surtout marquée par un terrible accident qu'il subit à Curitiba. Blessé, il manque six courses mais termine tout de même vice-champion. La même année, il fait ses débuts en Europe en F3 Euroseries et dispute quatre courses.

La saison suivante, en 2004, il se retrouve en Formule 3 britannique avec l'équipe Hitech Racing. Il réalise une bonne saison, remporte deux courses et se classe huitième du championnat.Membre du Renault Drivers Development, il effectue également ses premiers essais en Formule 1 au volant d'une Renault R24. Il ne sait pas encore qu'il devra patienter six ans avant de débuter en Grand Prix.

En 2005, il fait son retour en F3 Euroseries avec l'équipe Manor. La saison est dominée par l'équipe ASM, menée par Lewis Hamilton et Adrian Sutil, mais Lucas parvient tout de même à décrocher la troisième place du classement final, grâce à une victoire et à une belle régularité. Il connaît la consécration à la fin de l'année en remportant le Grand Prix de Macao.

En 2006, à l'âge de 22 ans, Lucas atteint le dernier échelon avant la Formule 1 : le GP2. Il connaît une année d'apprentissage difficile, puisqu'il ne marque que huit points et se classe dix-septième du championnat. Une performance décevante, d'autant que Lewis Hamilton, son rival en F3 britannique, a facilement été sacré champion. Toutefois, l'année 2007 s'annonce sous les meilleurs auspices pour lui. Toujours parrainé par Renault, il est engagé par l'équipe ART, championne en titre. Et effectivement, le Brésilien dispute la course au titre contre Timo Glock. Très régulier, il ne remporte toutefois qu'une seule victoire, à Istanbul, tandis que Glock monte cinq fois sur la plus haute marche du podium. L'Allemand est finalement sacré, mais Lucas fait un beau deuxième. S'il effectue toujours des essais pour Renault, aucun baquet de Formule 1 ne lui est toutefois proposé.

Sans volant en début de saison 2008, il est engagé par l'écurie Campos à partir de la quatrième course pour remplacer Ben Hanley. Il démontre qu'il n'a rien perdu de son talent en accumulant les points et en remportant trois courses : en Hongrie, à Valence et à Monza. Il semble un moment en mesure de jouer le titre, mais termine finalement troisième du championnat.

Après cette brillante saison, il semble que le moment soit venu pour lui de débuter en Formule 1. Renault envisage de le titulariser en remplacement de Nelson Piquet Jr, mais ce dernier est finalement reconduit. Pire encore, le poste de troisième pilote lui échappe au profit de Romain Grosjean, tandis qu'il se contente du rôle de numéro 4. L'équipe Honda lui propose alors de participer à des essais, mais elle se retire à la fin de la saison.

A 24 ans, Lucas commence à être considéré comme l'« éternel prétendant » à la F1, mais il doit continuer à ronger son frein en 2009. Il retourne en GP2, remporte une course à Istanbul, multiplie les places d'honneur et termine la saison à la troisième place. Un championnat de haute facture qui démontre surtout qu'il n'a plus rien à prouver dans cette catégorie.

Fin 2009, Grosjean a déçu l'équipe Renault, en pleine tourmente. Il est renvoyé, mais on lui fait aussi comprendre qu'il ne sera pas son remplaçant. Lucas se tourne alors vers les nouvelles petites équipes invitées à participer au championnat du monde 2010. Parmi elles se trouve son ancienne équipe de F3, Manor. La petite taille de la structure rend le projet difficile à mener à bien, mais l'arrivée de Richard Branson, patron de la multinationale Virgin, arrange les choses. Branson rachète l'équipe, qui est alors renommée Virgin Racing, et engage l'Allemand Timo Glock et Lucas comme pilotes titulaires. Ce dernier obtient enfin, à l'âge de 26 ans, un premier volant en Formule 1.

Malheureusement, la Virgin VR-01, conçue à partir du controversé système de mécanique des fluides, est une bien mauvaise voiture, et le Brésilien ne pourra jamais l'extirper du fond de la grille de départ. Tout ce que l'équipe britannique peut espérer pour cette saison 2010, c'est de devancer leurs rivaux directs de Lotus-Cosworth. Or, en plus d'être lente, la voiture est peu fiable. Ainsi, Lucas termine son premier Grand Prix à Bahreïn au bout de deux petits tours. Il va connaître une invraisemblable série de problèmes mécaniques tout au long de l'année, ce qui le contraint à abandonner une fois sur deux. En début de saison, à cause d'une erreur de conception, son réservoir n'a même pas la capacité nécessaire pour terminer une course, ce qui l'oblige à finir le Grand Prix de Malaisie au ralenti ! Le grotesque est atteint.

Surtout, il est largement dominé par son coéquipier, Timo Glock. Ce dernier, qui a déjà deux saisons de F1 derrière lui, le devance toute l'année, aussi bien en course qu'en qualification. Le seul week-end qui tourne en sa faveur est le Grand Prix d'Europe à Valence. Sa situation est donc très menacée en fin de saison, d'autant que l'écurie Virgin a besoin d'argent et cherche un pilote payant. Pour ne rien arranger, Di Grassi réussit l'exploit de détruire sa monoplace lors du tour de formation à Suzuka, puis de sortir de la piste sous la pluie en Corée. Il faut toutefois noter que ces deux erreurs grossières sont les seules du championnat.

Au terme de cette saison évidemment vierge de tout point, Lucas sait qu'il doit faire ses bagages, car il n'a pas le budget nécessaire pour conserver son volant. Fin décembre, Virgin annonce son remplacement par le Belge Jérôme d'Ambrosio.

Devenu pilote d'essai pour Pirelli pendant trois ans, la carrière sur circuit du Brésilien connaît alors un rebond. En 2012, il est engagé chez Audi pour le championnat du monde d'endurance qui renaît de ses cendres. Il monte sur le podium dès sa première course à domicile.

En 2013, il obtient à nouveau deux troisièmes places en deux courses, dont les 24 Heures du Mans. Engagé à plein temps sur les trois dernières campagnes du WEC menées par Audi, il est l'un des premiers pilotes de la marque aux anneaux. Il obtient deux victoires et onze podiums (dont deux supplémentaires dans la Sarthe) et termine vice-champion du monde de sa dernière saison.

Mais c'est dans une tout autre discipline que le Brésilien va particulièrement briller. Engagé dès la toute première saison du championnat de Formule E, en 2014-2015, le pilote est devenu instantanément l'une des icônes de la monoplace électrique. Au sein de l'équipe Audi Sport ABT, il remporte la toute première course du championnat à Pékin. Il enchaîne ensuite avec cinq podiums, ce qui fait de lui l'un des candidats sérieux au titre. Il échoue lors du dernier week-end à devenir le premier champion à Londres, au détriment d'un autre Brésilien, Nelson Piquet Jr.

Les saisons suivantes seront tout sauf décevantes. Malgré trois victoires et sept podiums en dix courses, il termine vice-champion en 2015-2016. Il faudra attendre l'année suivante pour le voir enfin couronné. En 2017-2018, il permet à Audi de remporter le titre par équipe et termine à nouveau vice-champion. Il termine troisième du championnat la saison suivante, puis quitte progressivement les avant-postes tout en décrochant au moins deux podiums par an. En 2022, il rejoint l'écurie Venturi et monte à quatre reprises sur le podium, dont une victoire. L'année suivante, il rejoint Mahindra et ne monte qu'une seule fois sur le podium. En 2024, il change à nouveau d'écurie et rejoint ABT Cupra, mais n'obtient aucun podium.