W sezonie 2012 roku rywalizował w kilku seriach wyścigowych, we wszystkich w barwach zespołu Carlin. We wspomnianej Formule 3 Euro Series zaliczył 24 wyścigi, ale tylko dwukrotnie stawał na drugim stopniu podium i po zdobyciu 112 punktów zajął dziewiąte miejsce na koniec sezonu. Z kolei w 26 wyścigach Brytyjskiej Formuły 3 stanął na podium dziewięciokrotnie w tym wygrał pięć z nich. Zebrał 224 pkt i uplasował się na szóstym miejscu w klasyfikacji generalnej. Wziął również udział w 24 wyścigach Europejskiej Formuły 3, gdzie stanął pięciokrotnie na podium w tym raz na jego najwyższym stopniu. Ostatecznie zajął w tej serii piąte miejsce na koniec sezonu.
2013–2014: Formuła Renault 3.5 i seria GP3 thumb|Sainz podczas startów w Formule Renault 3.5 (2014)
W sezonie 2013 Sainz startował w dwóch seriach wyścigowych, serii GP3 i Formule Renault 3.5. W serii GP3, w zespole MW Arden założonym przez Christiana Hornera, Sainz stanął na podium w dwóch z 16 wyścigów i wywalczył jedno pole position, co dało mu dziesiątą lokatę w klasyfikacji generalnej. W 2013 roku Sainz zadebiutował również w Formuła Renault 3.5 w zespole Zeta Corse, ale na dziewięć startów punktował tylko trzykrotnie.