Seria GP2 W 2012 roku Brazylijczyk zdobył posadę etatowego kierowcy ekipy DAMS w przedsionku Formuły 1 – Serii GP2. W pierwszym sezonie startów czterokrotnie stawał na podium. Z dorobkiem 95 punktów został sklasyfikowany na dziesiątym miejscu w klasyfikacji generalnej.
Na sezon 2013 Nasr zmienił zespół na brytyjski Carlin. Tym razem był już w piątce, która do końca liczyła się w walce o mistrzowski tytuł. Jednakże podczas trzech ostatnich rund zdobył zaledwie 24 punkty, co sprawiło, że mimo wyprzedzenia Stefano Colettiego, za którym plasował się w pierwszej części sezonu, spadł za trzech innych kierowców. Ostatecznie 154 punkty dały mu czwartą pozycję w klasyfikacji końcowej.
W 2014 roku Brazylijczyk kontynuował współpracę z brytyjską ekipą Carlin. W sprincie w Barcelonie odniósł pierwsze zwycięstwo w GP2. W kolejnej części sezonu powtórzył ten sukces jeszcze trzykrotnie. Był najlepszy w głównym wyścigu w Austrii oraz w sprintach w Wielkiej Brytanii i w Belgii.