Bereits im Juli 2009 wurde über Grosjeans Aufstieg in die Formel 1 spekuliert, nachdem es Gerüchte über eine Trennung des Renault-Teams von ihrem Fahrer Nelson Piquet jr. gegeben hatte. Ende Juli wurde Piquet tatsächlich entlassen und am 18. August Grosjean, der zuvor schon als Renault-Testfahrer fungierte, als neuer Fahrer verpflichtet. Er debütierte am 23. August beim Großen Preis von Europa in Valencia als Teamkollege des zweifachen Weltmeisters Fernando Alonso. Grosjean startete bei den letzten sieben Saisonrennen, kam dort aber nie in die Top-10. Mit einem 13. Platz beim Großen Preis von Brasilien als bestes Ergebnis blieb er ohne Punkte, während Alonso in diesem Zeitraum 13 Weltmeisterschaftspunkte sammelte und als Dritter einmal auf dem Podest stand. Für die Formel-1-Weltmeisterschaft 2010 wurde Grosjean durch seinen ehemaligen GP2-Teamkollegen Petrow ersetzt und erhielt kein Cockpit in der Formel 1.