[4]​[5]​ En 2007 participó en la GP2 Series con el equipo Arden International,[6]​ obteniendo su primera victoria en el Circuito de Cataluña[7]​ y consiguiendo tres podios a lo largo de la temporada que le valieron para terminar en octava posición el campeonato.

[9]​[10]​ Senna aspiraba a dar el salto a la Fórmula 1 y en 2009 pudo ser piloto oficial en dicha categoría en Honda, equipo con el que realizó unos tests,[11]​[12]​ pero finalmente decidieron apostar por la continuidad una vez convertidos en Brawn GP.

[15]​ Finalmente, en 2010, Bruno debutó con Hispania Racing en la máxima categoría[16]​ con Karun Chandhok como compañero de equipo.

Sin embargo la escudería española se mostró muy inmadura y técnicamente muy limitada utilizando un coche que nunca estuvo a la altura de los demás monoplazas de la parrilla y que no recibió ninguna evolución en toda la temporada.

[17]​ En 2011, Renault invitó a Bruno a ingresar al equipo como tercer piloto para la temporada 2011[18]​ y realizó sus primeros test con el R31 en febrero, en los segundos test de pretemporada, acuñando el quinto mejor tiempo de la sesión y demostrando que era un activo muy valioso para el equipo.

Senna participó en los primeros libres del Gran Premio de Hungría reemplazando a Nick Heidfeld.

[19]​ Bruno marcaría en su primer test en competencia y por primera vez utilizando el KERS y el alerón móvil un tiempo de 1:25.855, a sólo 0.76 segundos del tiempo marcado por Vitaly Petrov, el segundo piloto de la escudería quien viene compitiendo desde 2010.

En carrera y tras accidente que ocasionaría Liuzzi en la primera curva y que lo relegaría a la decimoctava posición, Senna terminó noveno tras remontar nueve posiciones, logrando sus primeros puntos en el campeonato.

Para el Gran Premio de Corea, Vitaly Petrov supera a Senna tanto en los libres como en clasificación lograría un octavo puesto de partida mientras que Senna sería relegado a la decimoquinta colocación.

Finalmente, tras lograr dos puntos en nueve carreras y entrar cuatro veces en la Q3, Renault decidió contratar a Romain Grosjean y Kimi Räikkönen como pilotos titulares para 2012, dejando a Bruno sin volante.

[22]​[23]​ El piloto brasileño conseguiría su mejor resultado con un 6.º puesto en el GP de Malasia, donde remontaría posiciones desde la última hasta la sexta posición, superando en el camino a los más experimentados Di Resta, Kobayashi, Massa y Schumacher, entre otros.

Pero Senna entra en los puntos con más frecuencia y superando a su compañero de equipo.

[26]​ Allí logró dos victorias y dos segundos puestos, por lo que se ubicó 11.º en el campeonato de pilotos, y sumó puntos para que Aston Martin terminara segunda en el campeonato de marcas.

[2]​ Para la temporada siguiente, pasó al Vaillante Rebellion junto a Julien Canal y Nicolas Prost.