Untuk musim 2011, Petrov akan tetap membalap di Renault, setelah menandatangani kontrak 2 musim pada 22 Desember 2010 Pada balapan perdana F1 2011 di Australia, Petrov naik podium untuk pertama kalinya setelah finish di P3 di belakang Sebastian Vettel dan Lewis Hamilton. Di balapan selanjutnya di Petrov kembali nyaris mendapatkan angka sebelum akhirnya ia terhempas saat mobilnya melindas kerbs. Petrov membayar kesalahannya dengan meraih angka di China dan Turki. Di Monte Carlo Petrov sempat dilarikan ke rumah sakit setelah ia terlibat kecelakaan bersama Adrian Sutil, Lewis Hamilton dan Jaime Alguersuari. Ia saat itu mengalami kaki terkilir dan tidak bisa keluar dari kokpit. Petrov lantas kembali di dan langsung meraih angka dengan finish di P5. Di , Petrov kembali terlibat kecelakaan di tikungan pertama selepas start bersama Nico Rosberg dan Vitantonio Liuzzi. Kecelakaan yang serupa kemudian terjadi lagi di Korea ketika kali ini Petrov menyeruduk bagian ekor mobil Michael Schumacher yang kemudian berujung pada hukuman turun lima posisi bagi Petrov di India. Usai tampil mengecewakan di India dan Abu Dhabi, Petrov kemudian menyerang balik tim Renault dan menuduh bahwa tim yang ia bela tersebut tidak mampu membuat mobil kompetitif, strategi tim yang jelek dan minim pengembangan sasis. Tidak lama berselang sesudah ia mengucapkan perkataannya tersebut, Petrov meminta maaf kepada tim. Diindikasikan kursi Petrov untuk 2012 bisa terancam jika ia tidak segera memperbaiki hubungannya dengan tim. Bos Renault Eric Boullier kemudian menutup permasalahan ini dengan memaafkan Petrov. Petrov menutup musim 2011 dengan meraih angka tunggal di Brasil saat ia finish di posisi 10.