Den 3. august 2009 bekreftet Nelson Piquet jr. at hans kontrakt med Renault var avsluttet med umiddelbar effekt, og Renault bekreftet senere at Grosjean skulle overta setet hans med umiddelbar effekt. Grosjean debuterte under Europas Grand Prix, og endte løpet på en 15.-plass. Han tok en ny 15.-plass under Italia, og tok sin beste plassering for sesongen i Brasil med en 13.-plass. Han endte sesongen uten poeng, og mistet setet sitt til Vitalij Petrov før 2010-sesongen.