Nachdem das BMW Sauber F1 Team an Peter Sauber verkauft worden war, besaß Klien zunächst kein Cockpit für die Saison 2010. Seit Mai 2010 war Klien neben Yamamoto zunächst Test- und Ersatzfahrer beim spanischen Formel-1-Team HRT. Nachdem sein japanischer Teamkollege schon Rennen bestreiten durfte und Klien zwei freie Trainings absolviert hatte, bestritt er beim Großen Preis von Singapur sein erstes Formel-1-Rennen seit 2006. Er sprang als Ersatzfahrer ein, da Yamamoto mit einer Lebensmittelvergiftung ausfiel. Obwohl er kaum Erfahrung mit dem Auto hatte, war er auf Anhieb schneller als sein Teamkollege Bruno Senna. Im Rennen fiel er mit technischen Problemen aus. Drei Rennen später, beim Großen Preis von Brasilien, kehrte der Österreicher für die letzten zwei Saisonrennen ins HRT-Cockpit zurück. Am Saisonende belegte er den 27. Gesamtrang in der Fahrerweltmeisterschaft.