Petrov korvattiin kauden päätteeksi ranskalaiskuljettajalla Romain Grosjeanilla, vaikka hänellä olisi ollut sopimus tallin kanssa vielä kaudesta 2012. Petrovin jatko F1:ssä oli kauan aikaa epävarmaa, kunnes hän löysi paikkansa Caterhamin kisakuljettajana, korvaten tallissa italialaisen Jarno Trullin. Petrov onnistui kauden päättävässä Brasilian GP:ssä ajamaan 11:ksi, joka riitti nostamaan tallin Marussian edelle valmistajienmestaruuden 10:lle sijalle. Kaudeksi 2013 Petrov ei saanut jatkosopimusta Caterham-tallista.