Forut for Formel 1-sesongen 2010 ble Petrov nevnt som en mulig fører i både Sauber, Renault F1 og Campos. Han ble bekjentgjort som Renault-fører den 31. januar, og ble med det den første russiske føreren i Formel 1-verdensmesterskapet. Han signerte en ettårig avtale, med opsjon på ytterligere to. Han var veldig nær ved å skrive under for Campos, men følte at Renault var det beste valget for han. Han nevnte også at han ikke var støttet av noen større sponsorer fra Russland, bare hans far og noen av hans venner. Petrov uttrykte at hans mål var å begynne å ta poeng rundt midten av sesongen. Hans teamkamerat for debutsesongen var Robert Kubica, som i likhet med Petrov – som er 185 cm høy – er en av de høyeste førerne i startfeltet. Etter å ha kvalifisert seg til 17. startposisjon endte Petrovs første løp tidlig, da teamet fant ut at det var en skade i hjulopphenget til høyre fronthjul, noe han selv mente sannsynligvis var forårsaket av at han hadde truffet en banekant for hardt. Da han ble nødt til å bryte kjempet han med Rubens Barrichello om en tiendeplass og et poeng i mesterskapet.