Efter Ungerns Grand Prix 2009 i Formel 1 ersatte Grosjean Nelsinho Piquet, som fått sparken av Renault. Det blev bara sju tävlingar i Formel 1 innan han började köra i FIA GT1-VM 2010 tillsammans med tysken Thomas Mutsch och vann formelbilsmästerskapet Auto GP. År 2011 var han tillbaka i GP2 Series och vann mästerskapet överlägset, för att sedan skriva ett kontrakt med Lotus F1 Team (det som tidigare hette Renault F1) inför säsongen 2012. Han tog tre pallplatser under säsongen men blev mest ihågkommen för sina krascher, framförallt den i , som ledde till avstängning i ett lopp.