Am 22. Dezember 2010 gab Renault die Vertragsverlängerung mit Petrow für zwei weitere Jahre bekannt. 2011 wurde Nick Heidfeld sein neuer Teamkollege, nachdem Kubica sich bei einer Rallye schwer verletzt hatte und längerfristig ausfiel. Bereits beim Saisonauftakt in Australien gelang Petrow mit einem dritten Platz seine erste Podest-Platzierung in der Formel 1. Beim zweiten Rennen in Malaysia lag Petrow zunächst wieder in den Punkterängen. Ein Ausritt, bei dem er sein Lenkrad abriss, beendete sein Rennen jedoch vorzeitig. Nach zwei weiteren Punkteplatzierungen hatte Petrow beim sechsten Rennen, dem Großen Preis von Monaco, einen schweren Unfall, wegen dessen das Rennen unterbrochen wurde. Er zog sich keine ernsthaften Verletzungen zu. Ein Rennen später in Kanada kam er auf dem fünften Platz ins Ziel. In den weiteren Rennen erzielte er nur vier weitere Male Punkte und kam nie über den neunten Platz hinaus. Zum Großen Preis von Belgien erhielt er mit Bruno Senna einen neuen Teamkollegen. Das Duell zu Heidfeld war zu diesem Zeitpunkt relativ ausgeglichen und Heidfeld lag mit zwei Punkten vor Petrow. Petrow beendete die Saison schließlich auf dem zehnten Rang.