Musim 2010 diawali Petrov dengan kekecewaan saat ia tiga kali gagal finish di seri Bahrain, Australia, dan Malaysia. Petrov kemudian berhasil bangkit dan meraih poin perdananya di China saat finish di P7. Kemudian sesudah itu Petrov kembali gagal menunjukan prestasinya, dan tim Renault dikabarkan mulai tidak puas dengan penampilan Petrov. Eric Boullier, bos tim Renault, kemudian memberikan spekulasi tentang beberapa nama baru yang kemungkinan akan menggantikan Petrov, diantaranya Adrian Sutil, Kimi Raikkonen, dan Nick Heidfeld. Namun Boullier juga menegaskan nama-nama baru tadi sebisa mungkin harus bisa membawa masuk uang ke tim. Petrov kemudian bergerak cepat, dan ia langsung membawa beberapa sponsor baru ke Renault di pertengahan musim. Petrov juga berhasil bangkit dan meraih poin di seri Jerman dengan finish di P10. Di dua seri selanjutnya, Petrov kembali meraih poin dengan finish di P5 (Hungaria) dan P9 (Belgia). Penampilan memukau Petrov kemudian diperlihatkan di Abu Dhabi dengan menahan laju Fernando Alonso dan Mark Webber selama 40 lap, sekaligus memupus harapan dua pembalap papan atas tersebut untuk bersaing memperebutkan gelar juara dunia 2010. Petrov sendiri yang sesudah balapan tampak dimarahi Alonso dan Webber kemudian membela diri dengan mengatakan bahwa ia hanya ingin mempertahankan posisi. Petrov mengakhiri musim 2010 dengan berada di P13 klasemen dengan raihan 27pts.