Mit dem Abschluss seines Studiums als Master, kehrte Charouz 2010 in den Formelsport zurück und ging für P1 Motorsport als Teamkollege von Walter Grubmüller in der Formel Renault 3.5 an den Start. Beim zweiten Rennen kam er als Zweiter ins Ziel, wurde aber, weil er im Parc Fermé weniger als die erforderlichen drei Liter Benzin im Tank hatte, disqualifiziert. An diese Leistung konnte er im weiteren Verlauf der Saison nicht mehr anschließen und zwei siebte Plätze waren seine besten Resultate. Charouz, der verletzungsbedingt ein Rennwochenende pausieren musste, belegte am Saisonende den 18. Gesamtrang. Parallel zu seinem Engagement in der Formel Renault 3.5 trat er in der Saison 2010 für das Team seines Vaters in der "Auto GP", in der er bereits 2005, als die Serie italienische Formel 3000 hieß, gestartete war, an. Als bester Pilot seines Teams belegte er am Saisonende den vierten Platz im Gesamtklassement. Außerdem war er in der Saison 2010 ein Testfahrer des Renault-Formel-1-Teams. 2011 absolvierte Charouz für das Team seines Vaters die zweite Saison in der Formel Renault 3.5. Am Saisonende belegte er den 25. Gesamtrang, während sein Teamkollege Brendon Hartley 7. wurde. Nach der Saison nahm Charouz für Carlin am GP2 Final 2011 teil und wurde 25. Außerdem war Charouz 2011 erneut Formel-1-Testfahrer bei Renault. In dieser Funktion absolvierte er einen Testtag für Renault. Darüber hinaus testete er für HRT und nahm für diesen Rennstall am ersten freien Training des Großen Preises von Brasilien teil.