Petrov jatkoi F1:ssä myös kaudella 2011, Lotus-Renault GP tiimissä. Hän saavutti kauden avanneessa Australian GP:ssä F1-uransa ensimmäisen palkintosijan oltuaan kolmas. Sen jälkeen auton suorituskyky ei enää riittänyt yhtä hyviin tuloksiin. Petrov ajoi sen jälkeen maaliin pisteille seitsemässä kilpailussa. Hän keräsi 37 pistettä ja sijoittui sarjan kymmenenneksi.