31 января 2010 года было объявлено о подписании контракта с командой «Рено», по которому Петров стал её боевым пилотом. Его дебют в официальных заездах состоялся на Гран-при Бахрейна. За сезон 2010 Петров в 19 гонках пять раз финишировал в очковой зоне, в результате чего набрал 27 очков и занял 13-е место в личном зачёте.