Ende Oktober 2009 wurde offiziell bekannt gegeben, dass Senna in der Saison 2010 für das spanische Team Campos Grand Prix in der Formel 1 starten sollte. Allerdings wurde Campos wenige Wochen vor Saisonende verkauft und Senna wurde vom Nachfolgeteam HRT weiterverpflichtet. Bei HRT traf er erneut auf Karun Chandhok, der sein Teamkollege wurde. Sein ehemaliger iSport-Teamchef Paul Jackson lobte das Team für diese Fahrerwahl, da sich die beiden Piloten in ihrer gemeinsamen GP2-Saison kollegial für das Team engagiert hatten. Nachdem er bei den ersten zwei Rennen mit technischen Defekten ausgeschieden war, erreichte er beim Großen Preis von Malaysia als 16. zum ersten Mal das Ziel. Beim Großen Preis von Großbritannien wurde er einmalig durch Sakon Yamamoto ersetzt. Zum nächsten Grand Prix löste Yamamoto Chandhok ab. Im weiteren Verlauf der Saison erhielt er mit Christian Klien einen weiteren Teamkollegen. Am Saisonende belegte Senna mit einem 14. Platz als bestes Resultat den 23. Platz in der Gesamtwertung.