W roku 2010 przeniósł się do bardziej konkurencyjnego zespołu Barwa Addax Team, gdzie partnerował mu Holender Giedo van der Garde. W celu aklimatyzacji w hiszpańskim zespole, Pérez wystąpił w dwóch rundach azjatyckiej serii GP2. W ciągu czterech wyścigów Pérez dwukrotnie dojechał do mety na punktowanej pozycji, zajmując ostatecznie 15. pozycję w końcowej klasyfikacji. W europejskim cyklu Meksykanin okazał się jednym z czołowych kierowców, walcząc o tytuł mistrzowski, do przedostatniej rundy we Włoszech. Ostatecznie siedmiokrotnie stanął na podium, z czego czterokrotnie na najwyższym stopniu (poza tym raz zdobył pole position i pięciokrotnie odnotował najlepszy czas w wyścigu), a w klasyfikacji generalnej zajął 2. miejsce.
Formuła 1 2011–2012: Sauber thumb|Sergio Pérez podczas Grand Prix Malezji w bolidzie Sauber C30 (2011) thumb|Sergio Pérez podczas Grand Prix Malezji w bolidzie Sauber C31 (2012) 4 października 2010 roku został potwierdzony jako drugi kierowca zespołu Sauber na sezon 2011. Jego partnerem został Kamui Kobayashi.
27 marca 2011, do wyścigu Grand Prix Australii inaugurującym sezon 2011 startował z 13 miejsca, które uzyskał poprzedniego dnia w kwalifikacjach. Po zakończeniu wyścigu sędziowie podjęli decyzję o dyskwalifikacji Péreza.