Officiellement promu au rang de pilote titulaire pour la saison 2016 après une année d'apprentissage au sein de la structure d'Enstone, Jolyon Palmer est associé à Kevin Magnussen pour le retour de Renault F1 Team en tant qu'équipe à part entière en Formule 1 cinq ans après son départ en 2011. Lors du Grand Prix inaugural, il réalise la surprise lors de sa première séance qualificative, se hissant en Q2 et au quatorzième rang, juste devant son coéquipier. Ambitionnant de terminer dans le Top 10 le lendemain, il échoue de peu à son objectif, terminant son premier Grand Prix à la onzième place, Magnussen le suivant, douzième. Son deuxième Grand Prix, à Bahreïn, est beaucoup plus malheureux, crédité du vingtième temps de la séance qualificative, il rentre au stand avant même le départ pour abandonner sur problème hydraulique. Pour son troisième Grand Prix, en Chine, il termine dernier des vingt-deux pilotes à l'arrivée. S'ensuivent douze Grands Prix durant lesquels il ne parvient pas à faire mieux que onzième en course et doit abandonner à trois reprises.