Карьера Грасси началась с выступлений в картинге в 2000, вместе с пятым местом в чемпионате Формула-А. Свою формульную карьеру он начала в Бразильской Формуле-Рено в 2002 году, чемпионат он завершил на втором месте, проиграв лишь Сержио Жименесу.
В 2003 Грасси перешёл в более быстрый класс — Формула-3, где он управляя болидом Dallara F301 Mugen-Honda для команды Avallone Motorsport в Южноамериканской Формуле-3. Он завершил сезон в ранге вице-чемпиона, проиграв лишь Данило Дирани и за сезон одержал одну победу с другими одиннадцатью подиумами. Это произошло несмотря на то что бразилец пропустил последние шесть гонок из-за аварии на этапе в Куритибе.
Также он отправился в Европу для участия в четырёх гонках Евросерии Формулы-3 вместе с командой Prema Powerteam, где лучшим результатом стало четвёртое место в По. В следующем году Грасси продолжил свои выступления в Европе и подписал контракт с Hitech Racing на участие в Британской Формуле-3. Он одержал две победы в Тракстоне и по итогам сезона был классифицирован восьмым. Также для него удачно сложился дебют на Гран-при Макао, где он занял третье место.
В 2005 Грасси вернулся в Евросерию Формулы-3 и на этот раз провёл сезон целиком, но перешёл в команду Manor Motorsport. Против доминировавшей пары пилотов ASM Льюиса Хэмилтона он смог противопоставить лишь одну победу, но при этом завершил сезон третьим.
В конце сезона бразилец вернулся в Макао и смог выиграть гонку, где стартовал с третьего места, и опередил таких будущих соперников по Формуле-1 как Себастьян Феттель, Бруно Сенна и Роберт Кубица.
2006 стал следующим этапом его карьеры: продвижению к GP2 серии которая поддерживает Гран-при Формулы-1 вместе с Team Durango. Это был скромный дебютный сезон всего лишь с восемью очками и семнадцатым местом в чемпионате.
В 2007 он получил место в чемпионской ART Grand Prix. Он зарабатывал очки на протяжении сезона, Лукас не попал в очковую зону лишь один раз за свои первые 13 гонок. Несмотря на то что он часто не побеждал, по итогам чемпионата он занял второе место, уступив лишь своём будущему напарнику по Virgin Racing Тимо Глоком из iSport .
Свою первую победу он получил на 14 этапе чемпионата в Стамбуле, и стал лидировать в личном зачёте, но Глок обогнал его, победив в воскресном спринте.
Он тестировал новую модель болида GP2 (используемую с 2008 по 2010 год), во время тестов за Renault. Тем не менее, он продолжил выступление в GP2 с Campos Racing начиная с 4 этапа.Вместе с тремя вторыми местами и одним четвёртым местом на финише, он был гонщиком заработавшим максимальное количество очков на протяжении двух этапов. Потом последовали две победы, перед финальным кругом Джорджо Пантано устроил аварию (после этого он был дисквалифицирован). Бразилец завершил чемпионат на третьем месте, набрав на 13 очков меньше чем у Пантано, который принял участие в двадцати гонках, против четырнадцати у Грасси.
Бразильский гонщик продолжил участие в серии в 2009, но перешёл в Racing Engineering, и снова завершил сезон третьим, а также набрал точно такое же количество очков как и в 2008 году.
В конце 2008 года Грасси проводил тесты в составе Honda Racing F1 Team вместе с соотечественником и соперником по GP2 Бруно Сенной. Основной пилот японской команды Дженсон Баттон также проводил тесты на трассе Каталунья. Сенна отстал на три десятых секунды от его времени, а Грасси на пять десятых. Затем бразилец заключил контракт с Renault и присоединился к ним в качестве резервного пилота команды, став третьим вице-чемпионом GP2, который получал эту должность. Ими были Нельсон Анжело Пике и Хейкки Ковалайнен.
Грасси присоединился к Тимо Глоку в новой команде Virgin Racing для участия в сезоне 2010. Первоначально команда называлась Manor, но была переименована, после того как владелец Virgin Group Ричард Брэнсон купил 20% акций команды.