Per il campionato 2011 l'HRT ingaggiò come piloti titolari Narain Karthikeyan e Vitantonio Liuzzi; rimasto senza un volante, Senna firmò un contratto come terzo pilota della Renault. In seguito al grave infortunio occorso a Robert Kubica il pilota brasiliano avrebbe potuto ottenere un posto da titolare nella scuderia francese, ma dopo alcuni test gli fu preferito il più esperto Nick Heidfeld. Alla vigilia del Gran Premio del Belgio Senna fu promosso pilota titolare dalla scuderia transalpina proprio al posto del pilota tedesco; il brasiliano fu quindi al volante della Renault anche per la gara successiva, il Gran Premio d'Italia, dove con un nono posto conquistò gi unici punti dell'anno. Fu confermato fino al termine della stagione.