Nachdem er in den ersten drei Rennen nicht ins Ziel gekommen war, erreichte Petrow beim vierten Rennen in China zum ersten Mal das Ziel und holte als Siebter seine ersten WM-Punkte. Beim Großen Preis der Türkei sah es zunächst nach weiteren Punkten für den Russen aus. Allerdings musste er nach einer Berührung mit Fernando Alonso, bei der er sich einen Reifen beschädigte, einen weiteren Boxenstopp absolvieren und fiel zurück. Mit den neuen Reifen gelang es ihm allerdings seine erste schnellste Runde in der Formel 1 zu erzielen. Beim Großen Preis von Ungarn war er im Qualifying zum ersten Mal schneller als Kubica und im Rennen gelang ihm mit Platz fünf seine beste Saisonplatzierung. Eine weitere gute Leistung zeigte Petrow beim Saisonfinale in Abu Dhabi. Nachdem das Safety Car schon in der ersten Runde auf die Strecke kam, entschied sich der Renault-Pilot für eine andere Strategie und absolvierte frühzeitig seinen Boxenstopp. Nachdem Alonso, der vor dem Rennen die Weltmeisterschaft angeführt hatte, auch gestoppt hatte, lag Petrow vor dem Spanier. Wie in der Türkei kam es zu einem Positionskampf zwischen den beiden, allerdings gelang es dem Russen diesmal seinen Gegner über 30 Runden bis ins Ziel hinter sich zu halten. Der Renault-Pilot kam auf dem sechsten Platz ins Ziel. Damit half er indirekt Sebastian Vettel, der dadurch die Weltmeisterschaftsführung von Alonso übernehmen und den Titel gewinnen konnte. Am Saisonende belegte er den 13. Platz in der Fahrerwertung. Teamintern unterlag er Kubica mit 27 zu 136 Punkten deutlich.