Le , Lotus Renault GP annonce que Vitaly Petrov portera les couleurs de l'équipe en 2011 et 2012. À l'occasion du Grand Prix inaugural, en Australie sur le circuit de l'Albert Park de Melbourne, il réalise sa meilleure performance en course en terminant troisième, après être parti sixième, derrière Sebastian Vettel et Lewis Hamilton. Au Grand Prix de Malaisie, il se qualifie à la huitième place mais, en course, abandonne après une violente sortie de piste à quatre tours de la fin alors qu'il était septième. Au Grand Prix de Chine, il se classe neuvième. À Monaco, alors qu'il bataille dans les points, il est victime d'un carambolage en fin de course et frappe le muret dans le virage de la piscine. Évacué en ambulance, il ne subit aucune blessure grave. Lors du Grand Prix du Canada, il se classe cinquième. La suite de la saison est en revanche plus compliquée et Vitaly termine le championnat à la dixième place avec 37 points.