Pada 9 Februari, Lotus Renault GP mengesahkan bahawa Heidfeld akan berkongsi tugas ujian bersama Bruno Senna pada hari Sabtu dan Ahad dalam ujian empat hari di Jerez bagi menilai pemandu yang akan menggantikan Robert Kubica yang cedera setelah mengalami sebuah kemalangan rali di Itali, bagi musim 2011. Pada hari Sabtu, Heidfeld menetapkan masa yang terpantas dan menyatakan bahawa beliau berasa seronok memandu kereta tersebut. Heidfeld telah disahkan sebagai penganti Kubica pada 16 Februari 2011. Di Australia, iaitu perlumbaan pertama musim ini berikutan pembatalan Grand Prix Bahrain, Heidfeld bermula dari tempat ke-18 dan menamatkan perlumbaan tersebut di tempat ke-12. Pada 10 April 2011, Heidfeld mendapat tempat ketiga, selepas bermula dari tempat keenam, di Grand Prix Malaysia di Sepang, dan memecahkan rekod Stefan Johansson yang menaiki podium tanpa sebarang kemenangan sebanyak 12 kali. Beliau menambah satu lagi tempat ke-12 di China, sebelum mendapat tempat ketujuh di Turki selepas bersaing dengan rakan sepasukan, Vitaly Petrov. Heidfeld mendapat tempat kelapan di Sepanyol dan Monaco, sebelum bersara di Grand Prix Kanada. Beliau terpaksa bersara di Hungary selepas keretanya terbakar selepas keluar lorong pit pada pusingan ke-25. Heidfeld telah digantikan oleh Bruno Senna di Grand Prix Belgium. Heidfeld secara rasmi berpisah dengan pasukan Renault pada 2 September 2011.