Seria GP3 W sezonie 2010 (również we szwajcarskiej stajni) brał udział w nowo utworzonej serii GP3. Zaledwie 18-letni zawodnik spisał się nadspodziewanie dobrze w mocno obsadzonej serii, zajmując wysokie 3. miejsce w końcowej klasyfikacji. W tym czasie czterokrotnie stanął na podium, z czego dwukrotnie na najwyższym stopniu. Poza tym Muller sięgnął również po pole position, na niezwykle krętym i technicznym torze Hungaroring (wyścig ukończył na trzecim pozycji).
Pomimo sporych nadziei, początek kolejnego roku współpracy nie układał się najlepiej dla Szwajcara. W dziesięciu wyścigach zaledwie dwukrotnie dojechał na punktowanej pozycji, zajmując odpowiednio piąte oraz pierwsze miejsce w pierwszych wyścigach na torze Circuit de Catalunya oraz Silverstone. Nico po regularne punkty zaczął sięgać dopiero w trzech ostatnich rundach sezonu (zajmując przy tym dwukrotnie najniższy stopień podium, w sprintach na Spa-Francorchamps oraz Monza), dzięki czemu zmagania zakończył na 4. lokacie.
Formuła Renault 3.5 Na sezon 2012 Müller przeniósł się do Formuły Renault 3.5. Startując w zespole International Draco Racing zdołał raz stanąć na podium (2 miejsce w pierwszym wyścigu na Nürburgringu).