Sesje kwalifikacyjne Grand Prix Hiszpanii 2011 Pietrow ukończył na szóstej pozycji, tym samym powtarzając swój najlepszy wynik z Australii. Podczas startu awansował na piąte miejsce. Po raz pierwszy na pit-stop zjechał na jedenastym okrążeniu, po którym przez kilkanaście okrążeń znajdował się na ósmej pozycji. Na 26. i 41. kółku zaliczył dwa kolejne postoje, na 42. okrążeniu został zdublowany. Wyścig ukończył na 11. miejscu ze stratą jednego okrążenia do zwycięzcy, Sebastiana Vettela i spadł na dziewiąte miejsce w klasyfikacji kierowców.