Für die Saison 2011 stand Heidfeld zunächst bei keinem Team unter Vertrag, eine Rückkehr zu Mercedes als Test- und Ersatzfahrer galt aber als recht sicher. Nachdem sich sein ehemaliger Teamkollege Robert Kubica bei einem Rallye-Unfall schwer verletzt hatte, wurde Heidfeld als möglicher Ersatz bis zur vollständigen Genesung Kubicas gehandelt. In der Folge nahm er an Testfahrten für das Renault-Team teil, bei denen er eine Tagesbestzeit erzielte. Mitte Februar wurde er von Renault als Ersatz für den ausgefallenen Kubica unter Vertrag genommen, wo er neben Witali Petrow fuhr. Nachdem er beim Saisonauftakt nach einer unverschuldeten Kollision, die sein Fahrzeug maßgeblich beschädigte, ohne Punkte blieb, beendete er das zweite Rennen in Malaysia auf dem dritten Platz. Dabei gelang es ihm, Red-Bull-Pilot Webber in den letzten Runden hinter sich zu halten. Beim fünften Rennen, dem Großen Preis von Spanien, nahm er wegen eines technischen Defekts nicht am Qualifying teil und musste vom letzten Startplatz starten. Im Rennen zeigte er einige Überholmanöver und verbesserte sich auf den achten Platz. Nachdem sich leitende Mitarbeiter des Rennstalls nicht mit seinen Leistungen zufrieden zeigten, wurde Heidfeld nach dem Großen Preis von Ungarn durch Bruno Senna abgelöst.&lt;ref name="Senna/Spa"&gt;„Knalleffekt: Senna ersetzt Heidfeld in Spa!“ (Motorsport-Total.com am 24. August 2011)&lt;/ref&gt; Teamintern lag Heidfeld zu diesem Zeitpunkt mit 34 zu 32 Punkten knapp vor Petrow. Am Saisonende belegte er den elften Platz in der Weltmeisterschaft. Nach Heidfelds Abgang knüpfte das Team immer weniger an die anfänglichen Erfolge an und die beiden Piloten erzielten nur noch weitere sieben Zähler.