カンポス・グランプリ（後にヒスパニア・レーシング ⇒ HRTに名称変更）からF1に参戦することが決まった。チームメイトはGP2時代の2008年にチームメイトだったカルン・チャンドック。シーズン開幕前にテストを行うことが出来ず、開幕戦バーレーンGPにはぶっつけ本番で出走した。開幕2戦はマシントラブルでリタイアに終わるが、第3戦マレーシアGPで16位に入り自身初の完走を果たした。第7戦トルコGPでは、初めて予選でヴァージン・レーシングのルーカス・ディ・グラッシの前のグリッドを獲得。決勝でもヴァージン・レーシングの2台とバトルを繰り広げるが、燃料系トラブルでリタイアに終わった。第10戦イギリスGPではセナに代わりテストドライバーの山本左近が出走したが、次の第11戦ドイツGPからは再びレギュラードライバーに復帰、予選でロータスのヘイキ・コバライネンやヴァージンのティモ・グロックと0.3秒差以内のタイムを記録し自己ベストの21位に入った。第13戦ベルギーGPの予選では不安定な天候の中で数名のドライバーがタイムを上手く出せなかったこともあり自己ベストを更新する20位に入った。マシントラブルやクラッシュなどにより、第15戦シンガポールGPまでに出走した14レース中9レースでリタイアしたものの、7台がリタイアした第16戦日本GPでは15位、9台がリタイアした第17戦韓国GPは14位といずれも完走して自己ベストを更新する成績を残した。しかし、全体的には完走率が低かったことに加えチーム首脳陣がセナの契約更新を行わない方針にしたため、チームを離れた。
2008年のシーズンオフにはF1のホンダチームのテストに参加し、叔父とも縁の深いホンダからF1デビューするのではないかとみられた。しかし、ホンダがF1撤退を表明し、後継チームとして発足したブラウンGPがルーベンス・バリチェロの継続起用を選択したため、セナのF1デビューは先送りとなった。その後、メルセデス・ベンツからドイツツーリングカー選手権 (DTM) へのオファーを受けたが、F1でのチャンスを優先するために断り、ル・マン24時間レース及びル・マン・シリーズに参戦していた。
アーデン・インターナショナルを放出されたため、前年のチャンピオンチームであるiSportに移籍しモナコGPとイギリスGPで2勝を上げたがジョルジオ・パンターノに9ポイント届かずシリーズ2位となった。
2006年も引き続き同チームからイギリスF3に参戦した。イギリスF3の開幕前に、F1の開幕戦バーレーンGPのサポートレースのひとつとして開催されたワンメイクレースや、F1の第3戦オーストラリアGPのサポートレースのひとつとして開催されたF3レースに出場しており、オーストラリアのF3レースでは、2レース目から4レース目までを連勝で制して4戦中3勝という結果を残し、これが自身のレースキャリアにおける初優勝となった。
就役後は熊本電気鉄道の主力車両として使用され、1991年（平成3年）に休車状態の5044を除き水色と青の新塗装（200形と同じ塗装）に塗り替えられた。しかし、超軽量車体であるため老朽化の進行が速く、加えて車体強度の問題から冷房装置の搭載が困難なため、1995年（平成7年）以降、6000形に順次置き換えられて廃車が進められた。2004年（平成16年）に全線ATS運用が開始された際には残った5101・5102の2両のみがATS機器を取り付けて5101A・5102Aと改番され、塗装が東急時代のライトグリーン一色に戻され、上熊本駅 - 北熊本駅間の折り返し運転用として引き続き使用されたが、冷房がないため夏場の平日は200形電車が代走していることが多かった。2012年（平成24年）10月13日から2014年10月12日まで、5101Aが『ケロロ軍曹』のラッピングトレインとして運行された。なお、車内アナウンスはケロロ軍曹役の渡辺久美子が務めていた。この2両は2008年までに岳南鉄道5000系が全廃されて以降、他社に譲渡された初代東急5000系電車で営業運転される最後の2両となったが、車体や機器の老朽化により車両故障が頻発して運行に支障をきたすことも多かったため、2015年（平成27年）から翌年にかけて東京メトロより01系を2編成4両導入して代替し、2両とも運用を終了した。特に機器不具合が多発していた5102Aが先に廃車対象となり、同車は2015年2月8日、15日、22日に北熊本駅構内で開催された「電車のお仕事1日体験」に使用されたあと、運行最終日の3月8日には午前中から日中にかけては北熊本車両基地で5101Aとの記念撮影会や5101Aと連結して2両編成で車両基地内を試運転するなどのイベントが行われ、夕方から最終列車までは上熊本 - 北熊本間の運用に入り走行した。同日限りで運用離脱し、同年4月1日から4月3日にかけて解体処分された。残った5101Aは2015年2月、同年4月1日からのICカード乗車券「くまモンのIC CARD」導入を前に運賃箱・運賃表示器をレシップ製のICカード対応の運賃箱・フルカラー表示LCD表示機に取り替え、車内放送やチャイムも更新したが、01系1編成が就役し、同年6月以降は基本的に毎週日曜日のみの限定運行となり、それ以外は01形と200形による運行となった。そして2016年2月14日が運行最終日となり、同日は北熊本駅構内で撮影会が開催された午後の一部の時間を除いてほぼ終日上熊本 - 北熊本間の最後の運用に入り、北熊本駅構内では午前中から午後にかけて様々な引退（お別れ）イベントが多数開催された。引退後は解体はされず、北熊本駅構内にて動態保存されている。