Nach seinem Engagement in der GP2-Asia-Serie verließ Yamamoto den Formelsport und wechselte 2009 in die ADAC GT Masters. Für das Team Rosberg startend belegte er am Saisonende den 32. Gesamtrang. 2010 kehrte Yamamoto in die Formel 1 zurück und wurde nach drei Grands Prix vom neuen Rennstall HRT als Testfahrer verpflichtet. Bei HRT arbeitete er erneut mit Colin Kolles zusammen und sollte bei einigen Grands Prix am Freitagstraining teilnehmen. Beim Großen Preis der Türkei übernahm er zum ersten Mal diese Position. Beim Großen Preis von Großbritannien ging der Japaner als Ersatz für Bruno Senna, der für dieses Rennen suspendiert wurde, an den Start. Ab dem nächsten Rennen, dem Großen Preis von Deutschland, trat Yamamoto als Ersatz für Karun Chandhok zu den Rennen an. Beim Großen Preis von Singapur musste er sein Cockpit wegen einer angeblichen Lebensmittelvergiftung an Klien, dem Test- und Ersatzfahrer des Teams, abtreten. Wie sich schon wenig später herausstellte, war der tatsächliche Grund für das Aussetzen keine Lebensmittelvergiftung, sondern finanzielle Schwierigkeiten. Das Geld von Yamamotos Mutter, die ihrem Sohn das Cockpit finanzierte, war nicht rechtzeitig bei HRT angekommen. Nach zwei weiteren Rennen im Cockpit wurde Yamamoto zum Großen Preis von Brasilien durch Klien abgelöst. Am Saisonende belegte Yamamoto, der wie 2006 und 2007 an sieben Rennen teilgenommen hatte, punktelos den 26. Platz in der Fahrerweltmeisterschaft. 2011 nahm Yamamoto für die ersten drei Grands Prix die Test- und Ersatzfahrerposition bei Virgin ein.