Kaudella 2010 hän ajoi Formula 1 -sarjassa Renault-tallissa. Ajettuaan Bahrainin GP:ssä hänestä tuli ensimmäinen venäläinen F1-kuljettaja. Ensimmäiset kolme kisaa päättyivät keskeytykseen, mutta seuraavassa kisassa Kiinan GP:ssä hän saavutti uransa ensimmäiset MM-pisteet ollen kilpailussa seitsemäs. Seuraavat kuusi kisaa Petrov pääsi maaliin, mutta ei saanut pisteitä. Huonojen suoritusten takia huhut Petrovin korvaajasta alettiin jo nostaa esille, mutta Saksan GP:n kymmenennen sijan ja Unkarin GP:n viidennen sijan myötä nämä huhut unohtuivat ainakin hetkeksi. Kauden päättäneessä Abu Dhabin kilpailussa Petrov sijoittui kuudenneksi pitäen Fernando Alonson takanaan yli 40 kierroksen ajan ollen merkittävässä roolissa mestaruustaistelun kannalta.