Petrov fu avvicinato ai sedili di scuderie di Formula 1, come Sauber, Renault e Campos per il campionato 2010; il 31 gennaio 2010 è stato indicato pilota titolare per la Renault, diventandò così il primo pilota russo a competere nel campionato della massima formula (vi è stato un solo precedente nel 1948 quando Igor Troubetzkoy partecipò al Gran Premio di Monaco, prima però della creazione del campionato mondiale). Dopo esser stato costretto al ritiro nei primi 3 gran premi della stagione, ha ottenuto i suoi primi punti iridati nel Gran Premio di Cina. Al Gran Premio di Turchia, dopo aver condotto una gara a stretto contatto con l'altra Renault di Robert Kubica e le due Ferrari di Fernando Alonso e Felipe Massa, è entrato in contatto con l'asturiano, che lo stava superando all'esterno, e ha riportato la foratura di una gomma; rientrato ai box per un cambio gomme, ha fatto segnare il giro più veloce della gara. Nell'ultima gara della stagione ad Abu Dhabi si è piazzato al sesto posto. Il 27 marzo 2011, nella prima gara della stagione, grazie al terzo posto in Australia non solo conquista il primo podio della sua carriera in Formula 1 ma anche il primo in assoluto per un pilota russo nella massima serie motoristica. Dopo il piazzamento a podio, Petrov va però a punti appena 7 volte su 18 gare, anche per via della scarsa competitività della sua vettura.