I Ungarn kvalifiserte Petrov på 7.-plass, foran sin respekterte teamkompis Robert Kubica. Han kom i mål på femteplass, som var hans beste plassering til da. I Belgia startet Petrov på 23.-plass, etter at han ikke fikk satt en tid på kvalifiseringen på grunn av en krasj på den første treningsomgangen. Han klatret 14 plasser under skiftende værforhold og fullførte som nummer ni, hans tredje poengplassering på rad. Petrov måtte bryte på første runde i Japan etter å ha kollidert med Nico Hülkenberg, og krasjet ut av løpet fra en syvendeplass i Korea. I sesongens siste løp i Abu Dhabi kvalifiserte han på 10.-plass, foran Kubica på elevte. I løpet gikk Petrov inn i pit under en tidlig safety car-periode, noe som flyttet han oppover på lista da førerne foran han senere gjorde sine pitstop. Fernando Alonso og Mark Webber kom begge ut bak han og de ble liggende bak Petrov uten å klare å komme forbi han helt til slutten av løpet, noe som igjen medførte at Sebastian Vettel ble F1-verdensmester det året.