Parece que você está usando um mapeamento que começa com ESC . Quando você pressiona o ESC , o vim tem que esperar para ver se a próxima chave é a que está no mapeamento. Se não for, pode continuar imediatamente.
A configuração do vim pode ser dependente do terminal, então o fato de que isso não acontece fora do tmux não significa muito. O Vim pode consultar a variável de ambiente $TERM e escolher configurações diferentes dependendo de seu valor.
Como os usos do gnome-terminal, AFAIK, xterm como o valor da variável $TERM e tmux usam screen , eu procuraria em todos os seus arquivos de configuração do vim as configurações usadas apenas como $TERM variável é igual a screen . Meu palpite é que algum arquivo de configuração do vim em seu sistema define mapeamentos para manipulação de teclas de seta (aquelas que começam com o caractere ESC ) quando o terminal é screen .
Você pode testá-lo alterando temporariamente a variável $TERM no tmux antes de iniciar o vim. Se o seu shell é bash, chame vim como
TERM=xterm vim
no tmux e veja se o problema persiste. Você não deve usar isso como uma correção, pois pode haver diferenças entre os recursos de terminal do tmux e do xterm, e você pode ter alguns problemas.