W 2012 roku kierowca z Chin rozpoczął starty w Europie, w edycji zimowej Brytyjskiej Formuły Renault Protyre BARC. Uzbierane 79 punktów dało mu piąte miejsce w zimowych startach, a w głównych mistrzostwach uplasował się na czternastej pozycji. Starty kontynuował w sezonie 2013, kiedy odniósł zwycięstwo i pięciokrotnie stawał na podium. Dorobek 296 punktów zapewnił mu czwarte miejsce w końcowej klasyfikacji kierowców. W pucharze jesiennym zdobył tytuł wicemistrzowski.
Formuła 3 Na sezon 2014 Cao podpisał kontrakt z brytyjską ekipą Fortec Motorsports na starty w Brytyjskiej Formule 3. W 21 wyścigach, w których wystartował, szesnastokrotnie stawał na podium oraz odniósł cztery zwycięstwa. Uzbierane 285 punktów pozwoliło mu zdobyć tytuł mistrza serii. Po zakończeniu mistrzostw dołączył do stawki Europejskiej Formuły 3, gdzie wystartował podczas włoskiej rundy z ekipą Fortec Motorsports. Nie zdobywał punktów. W klasyfikacji generalnej uplasował się na 32 miejscu.