O britânico, que está um ponto à frente do australiano com quatro jornadas por disputar, incluindo dois sprints no sábado, completou a melhor volta ao circuito de Interlagos em 1:09,975 segundos, com pneus médios.
Piastri, que perdeu a liderança para Norris no México no mês passado, terminou 0,023 segundos atrás, depois do colega de equipa ter estabelecido o melhor tempo na sua última volta lançada da sessão.
A McLaren, que já garantiu o título de construtores pelo segundo ano consecutivo, voltou a mostrar-se claramente mais rápida do que as restantes equipas.
Os pilotos têm apenas um treino devido ao formato sprint deste fim de semana, o quinto de seis nesta temporada, sendo que o habitual segundo treino é substituído pel qualificação para a corrida de 100 km de sábado.
Nico Hulkenberg, da Sauber, foi o terceiro mais rápido, a 0,619 segundosdo melhor tempo, com Fernando Alonso, da Aston Martin, em quarto.
O estreante brasileiro Gabriel Bortoleto, colega de Hulkenberg e a preparar-se para a sua primeira corrida em casa, foi quinto na tabela de tempos, com George Russell, da Mercedes, em sexto e Pierre Gasly, da Alpine, surpreendentemente em sétimo.
Carlos Sainz, da Williams, que faltou ao dia de imprensa de quinta-feira por estar indisposto, foi oitavo, à frente de Isack Hadjar, da Racing Bulls, e Kimi Antonelli, da Mercedes.
Charles Leclerc, da Ferrari, foi 18.º e Lewis Hamilton, três vezes vencedor no Brasil, 19.º, com Max Verstappen, da Red Bull — o rival mais próximo dos pilotos da McLaren na luta pelo título — apenas 17.º, sem qualquer volta com pneus médios.
Ambos os pilotos da Ferrari optaram pelos pneus duros durante a sessão, com Hamilton a rodar na curva 11 nos segundos finais.
Verstappen, a 36 pontos da liderança, venceu a partir da 17.ª posição no Brasil no ano passado.
Yuki Tsunoda, da Red Bull, perdeu o controlo no corretor e bateu nas barreiras da curva quatro logo no início da sessão, regressando às boxes com danos nas asas dianteira e traseira.
O japonês voltou à pista após os reparos, quando faltavam 25 minutos para o fim.
"Nunca queremos começar uma sessão assim. Estas coisas acontecem", comentou o chefe de equipa Laurent Mekies à Sky Sports.