2月17日、ヤルノ・トゥルーリのシートを持参金で奪いケータハムF1チームのレギュラードライバーとして起用された事が発表された。チームメイトは以前からケータハムに所属しているヘイキ・コバライネン。開幕戦オーストラリアGPでは、ステアリングトラブルでリタイアを喫したものの、第2戦マレーシアGPでは16位で完走。続く第3戦中国GPでも18位完走。第4戦バーレーンGPでは16位完走と、チームメイトのコバライネンを上回る戦績を収めた。ヨーロッパGPではアクシデントの相次ぐ混沌としたレースの中で一時10番手を走行し、チームにとって初のポイントが見え始めていたが、トロ・ロッソのダニエル・リチャルドに接触され、圏内から脱落し13位に終わった。余談だが、同レースではコバライネンも同じくトロ・ロッソのジャン＝エリック・ベルニュに同じように接触されている。その後もコバライネン共々苦戦し、コンストラクターズランキングを争うマルシャにもリザルトで後れを取っていた。だが最終戦ブラジルGPでマルシャのシャルル・ピックとの直接対決を制し11位で完走。このペトロフのリザルトはチームにとって最高成績であるとともに、この結果により最後の逆転でコンストラクターズ10位を掴み取った。
2010年12月22日、ルノーはペトロフの残留を発表した。開幕戦オーストラリアGPの予選では、チームメイトのニック・ハイドフェルドがトラフィックにつかまりQ1で敗退する中でQ3に進出し、自己ベストとなる6位グリッドを獲得した。更に決勝ではスタートでジェンソン・バトンとフェルナンド・アロンソをパスし4番手に浮上すると、更に2ストップ作戦が成功しマーク・ウェバーもかわして3番手に浮上。そのまま最後までポジションを落とすことなく粘りある走りを見せ、見事3位でフィニッシュ。自身初の表彰台を獲得した。その後は堅実な走りを見せたものの、車が他チームの戦闘力アップに対抗できなかったこともあり、ポイント圏内外をさまよう成績となる。最終的にはポイントランキング10位でシーズンを終えた。マレーシアGPではコースアウトした衝撃でステアリングを折ってリタイアと珍しいトラブルに見舞われた。ポイントランキングではハイドフェルドを上回ったが、ハイドフェルドはシーズン中に解雇されたため、平均獲得ポイントはハイドフェルドより低い。1年契約であったが、チームに残留することも比較的有力であるとされたがロマン・グロージャンとキミ・ライコネンがF1へ復帰した事によってシートを喪失した。
2010年1月31日、2010年のF1にルノーF1のドライバーとして起用されることが発表された。ロマン・グロージャンの後任としてロバート・クビサのチームメイトになる。また、ロシア人初のF1ドライバーである。なお、シート獲得に際しては1500万ユーロの資金持込が行われた。さらにこの加入によってロシア最大の自動車会社アフトヴァースがラーダブランドでチームのスポンサーとなるなど、ペトロフはチームの重要な役割を担う。デビュー戦バーレーンGPから、予選ではクビサに敵わず、決勝でもミスやトラブルなどで3戦リタイアに終わるものの、決勝では十分なレースペースとバトル能力を示す。第4戦中国GPは、それが発揮される形で、不安定な天候の中、レッドブルのマーク・ウェバー、メルセデスのミハエル・シューマッハをオーバーテイクするなど目覚しい活躍で7位フィニッシュ。初完走、初ポイント獲得を達成した。第7戦トルコGPではタイヤがパンクするまで後ろにいたフェルナンド・アロンソのアタックをブロックし続けた。また、最終周で自身初のファステストラップを記録した。第12戦ハンガリーGPでは予選を7位で通過し、初めてチームメイトのクビサを上回った。決勝でも、スタートで一時2008年ワールドチャンピオンのルイス・ハミルトンをオーバーテイクし、高い能力を証明した。最終的に自己最高位である5位でフィニッシュした。第19戦アブダビGPでは予選でシーズン2度目となるクビサの前の10位グリッドを獲得。決勝では1周目にセーフティカーが出た際にタイヤ交換義務を果たすと、先行するドライバーがピットストップを行うにつれて順位を上げ、ピットを終えてペトロフの後ろでコースに復帰したアロンソを最後まで抑えて6位でフィニッシュした。シーズン終了までに5回の入賞で27ポイントを獲得したが、チームメイトのクビサに109ポイントの大差をつけられ、内容としては課題が残るものとなった。
2006年以降、GP2メインシリーズとアジアシリーズに参戦しており2006年にはDPRディレクシブ、2007年と2008年まではカンポス・グランプリ、2009年はカンポスから商標を変更したアダックス・チームから参戦し総合2位だった。
2006年にユーロノバ・レーシングからユーロ3000選手権に本格的に参加し全18レースのうち4つのレースに優勝しシリーズ3位で終えた。また、インターナショナル・フォーミュラ・マスターの改称前となるF3000 International Mastersにブルノ・サーキットでのラウンドのみ参加した。
キジャンの後継モデルとして2004年に発表され、まずインドネシアでキジャンイノーバ（Kijang Innova ）として発売が開始され、続いて他の東南アジア諸国およびインドでも発売された。生産はインドネシア・ジャカルタのカラワン工場、インドのバンガロール工場、および中華民国（台湾）の国瑞汽車・観音工場で行われている。シャシーはトヨタIMVプロジェクトのラダーフレームを用いた単一プラットフォームで7代目ハイラックスやフォーチュナーと共通化されている。ラダーフレーム以外にも、FR（フロントエンジン・リヤドライブ方式）や、リーフサスペンションも従来のキジャンと同様であるが、これは、頑丈さとパワーを低価格で求める世界中の新興国ユーザーの要求に基づくもので、IMVプロジェクト世界戦略車仕様である。トラックやオフロード車を乗用車用途としても用いているユーザーに対し、トラック(フレーム)ベースであってもある程度の高級感が得られるように外観や内装はトヨタらしさを感じられる乗用車風に仕上げられている。エンジンはガソリンエンジン、ディーゼルエンジンに関わらず全てDOHC機構が用いられており、1TR-FE型直列4気筒2,000ccガソリン、または2KD-FTV型直列4気筒2,500ccコモンレール・ターボディーゼルが搭載される。2007年には台湾でもイノーバに切り替わり、2,700ccの2TR-FEが設定された。2011年7月22日、インドネシア国際モーターショーにて大幅なフェイスリフトを受けた新型イノーバが発表された。2013年8月19日、インドネシアで再度フェイスリフトが行われたキジャン・イノーバが発表された。デザインはインドネシアのスタッフが担当し、大型化されたフロントグリルが採り入れるなど、内外装に手が加えられた。また、デュアルエアバッグが全車に標準装備となった。2015年11月23日、インドネシア市場向けのキジャン・イノーバの第二世代が、ジャカルタ、インドネシアで発売された。