Seria GP2 thumb|Jolyon Palmer podczas wyścigu GP2 na torze Spa-Francorchamps (2013) W 2011 roku Brytyjczyk dołączył do stawki GP2 z ekipą Arden International, jednak nie zdobywał punktów. Rok później odniósł pierwsze zwycięstwo oraz trzykrotnie stawał na podium. Z dorobkiem 78 punktów został sklasyfikowany na jedenastej pozycji w końcowej klasyfikacji kierowców. Sezon 2013 Brytyjczyk spędził w ekipie Carlin. Wygrał dwa wyścigi i w trzech stawał na podium. Uplasował się na siódmym miejscu w klasyfikacji generalnej.
Na sezon 2014 Palmer podpisał kontrakt z francuską ekipą DAMS. Już w pierwszych kwalifikacjach w Bahrajnie wywalczył pole position. Jednak wyścig ukończył na trzeciej pozycji. Pierwsze zwycięstwo odniósł nazajutrz w sprincie. Po dwóch drugich miejscach w Barcelonie wygrał główny wyścig na torze w Monako. W kolejnych wyścigach Brytyjczyk regularnie zdobywał punkty, lecz na zwycięstwo czekał aż do niedzielnego wyścigu na torze Monza. Sukces ten powtórzył podczas głównego wyścigu w Soczi, gdzie przypieczętował tytuł mistrzowski.