Rimasto senza un volante per il campionato 2011, Heidfeld fu contattato dalla Renault in seguito al grave infortunio subito da Robert Kubica in un rally, che impose al polacco di rinunciare a prendere parte alla stagione. Dopo un breve confronto durante i test invernali con il collaudatore ufficiale Bruno Senna, il pilota tedesco fu scelto come sostituto di Kubica fino al suo ristabilimento completo. Dopo una prima gara piuttosto difficile, conclusa fuori dai punti dopo essere scattato dalla diciottesima posizione, nel Gran Premio della Malesia Heidfeld conquistò il terzo posto, alle spalle di Sebastian Vettel e Jenson Button. Il pilota tedesco giunse poi a punti in cinque delle nove gare successive, con un settimo posto nel Gran Premio di Turchia come miglior risultato. Nonostante precedesse in classifica il compagno di squadra Vitalij Petrov, pochi giorni prima del Gran Premio del Belgio Heidfeld fu licenziato dalla Renault, che lo sostituì con il collaudatore Bruno Senna. La scuderia francese motivò la propria scelta con l'insoddisfazione per le prestazioni del pilota tedesco, che avviò una causa legale contro la decisione del suo team.