然而Carlos Sainz Jr.的賽車手生涯仍持續升級。2013年,他進入了GP3系列賽以及Formula Renault 3.5系列賽。第1年的Formula Renault 3.5系列賽他僅拿下了年度第19名的成績。然而在2014年他加入DAMS車隊之後,在18回合比賽中,拿了7個桿位、7個冠軍、6次的最快單圈,拿下了年度冠軍寶座。
2014年在Formula Renault 3.5的年度冠軍,讓他換來了測試車手的機會,以及2015年的正式席位。
2015年坐上Toro Rosso正式席位,進軍F1
Formula Renault 3.5的冠軍位置,讓他換來了Red Bull以及Toro Rosso的青年車手測試機會,在2015年,接替了Daniil Kvyat的位置,成為Toro Rosso的正式車手,與Max Verstappen搭檔出賽。在19站的比賽中,他拿下了18分的積分,在所有車手中排名15。