W sezonie 2007 został kierowcą testowym zespołu Renault. W grudniu ogłoszono, że zostanie partnerem powracającego do zespołu Fernando Alonso począwszy od sezonu 2008. Początek sezonu w wykonaniu Nelsona był fatalny. Po swoich rażących błędach tracił bardzo cenne sekundy. Rzadko przechodził do drugiej części sesji kwalifikacyjnej, a w wyścigu nie nawiązywał walki z czołówką. Dopiero w połowie sezonu Piquet Jr poprawił swe wyniki, co zaowocowało dwoma punktami podczas GP Francji. W GP Niemiec Nelson zajął drugie miejsce, wyprzedził go jedynie Lewis Hamilton, który wygrał wyścig. To pierwsze tak wysokie miejsce młodego Piqueta w wyścigach F1. W kolejnych wyścigach radził sobie coraz lepiej kończąc je regularniej na punktowanych pozycjach. Ostatecznie zajął 12 miejsce w klasyfikacji generalnej z dorobkiem 19 punktów wyraźnie jednak odstępując od swojego partnera Fernando Alonso. Po wielu spekulacjach Piquet w sezonie 2009 ponownie reprezentował barwy francuskiego zespołu. 3 sierpnia 2009 kierowca ogłosił, iż zakończył współpracę z zespołem Renault.