2010年はHRT F1とテストドライバー兼リザーブレースドライバー契約を結ぶ。イギリスGPでは、レギュラードライバーであるブルーノ・セナに代わり山本が出走。戦闘力が低い上に慣れないマシンために予選は24位と低迷したものの、2007年以来の決勝出走を果たし、20位で完走した。続くドイツGPからは、カルン・チャンドックの代わりに正ドライバーとして参戦することになった。イタリアGPのピットイン時には、ロリポップが上がり、残りのピットクルーがマシンから離れた後も作業を行っていたメカニックが、山本がピットレーンから発進した際にリアウイングと接触し負傷するというアクシデントに見舞われた。なおこのレースでは、23位からスタートし19位で完走した。第14戦シンガポールGPでは食中毒で欠場を余儀なくされ、山本の代役にクリスチャン・クリエンが務めることとなった（実際は別の要因であったといわれている）。10月10日に行われた日本GPには2戦ぶりに出場、予選24位からスタートで完走扱いを除く完走者（ニコ・ロズベルグがタイヤ離脱でリタイヤも完走扱いで17位）の中では最後尾の16位ながら中盤にはティモ・グロックを十数周に渡ってブロックし続けるなど見所を作り、地元ファンを湧かせた。第18戦ブラジルGPと、続く最終戦アブダビGPはクリエンと交代した。クリエンは第14戦シンガポールGPに代役出場した際、左近のスポンサーの1つがなかった為、クリエンの方がチームにとって大きな資金をもたらしたため言われており、終盤2戦の交代劇もこの影響があるものと考えられている。なお、山本がヒスパニア・レーシングのシートを獲得した背景には500万ドル（約4億3500万円）ものスポンサーマネーが動いたと言われており、豊富なスポンサー資金でシートを得たとする見方もある。フジテレビの地上波放送では2010年シーズン参戦初戦のイギリスGPと、下位ながら見せ場を作った日本GPを除けば、小林可夢偉の陰に隠れほとんど取り上げられることはなかったが、ヒスパニア・レーシングの2011年シーズンにおける有力ドライバー候補に残るなどの活躍をしており、チームからは山本の金銭面以外の部分にも良い評価を勝ち得ていた。
2008年-2009年のGP2アジアシリーズにメインシリーズで所属したARTグランプリよりフル参戦することが発表された。前年のチャンピオンチームから出走となり、エースカーであるカーナンバー1をドライブしていた。シリーズランキングは9位。なおこの年はF1チームとの契約及び参戦はなかった。
2008年2月、ルノーF1とテストドライバー契約を結んだことが発表された。ルノーのテスト開発プログラムを担当するとともに、レースチームに全戦帯同している。ルノーはすでにルーカス・ディ・グラッシおよびロマン・グロージャンとテストドライバー契約を結んでおり、山本とのテストドライバー契約は3人目となる。なお、この契約の中には世界各地で行われる「ルノー・ロードショー」と呼ばれるデモランイベントでのドライブも含まれていた。2008年7月16日、GP2シリーズへの復帰が発表され、ARTグランプリより第6戦ドイツ・ホッケンハイムから出走した。第7戦ハンガリー・ハンガロリンクのレース2で4位に入りGP2シリーズ初入賞。シリーズランキングは23位。
2007年はBCN CompeticionからGP2にフル参戦すると共に、スーパーアグリに残留しテストドライバーも務めた。ただ、ジェームズ・ロシターが同チームのテストドライバーとして参加してからはテストでも走行機会がなく、GP2への参戦とスーパーアグリの広報活動に専念していた。しかし、スパイカーF1チームのレギュラードライバーであったクリスチャン・アルバースが同チームを解雇された後、その後釜として白羽の矢が立ち、第11戦より最終戦までのレギュラードライバー契約を結んだ。そのため、スーパーアグリはテストドライバー契約の解除に応じた。なお、スパイカーのシート獲得に関しては、ナレイン・カーティケヤンやクリスチャン・クリエンなどの経験豊富なライバルを蹴落としての契約であった。
2006年6月のイギリスGPより急遽スーパーアグリF1チームのサードドライバーとして参戦し、ドイツGPからはフランク・モンタニーに代わってセカンドドライバーとして参戦した。ドイツGP・ハンガリーGP・イタリアGPではリタイアに終わるもラスト3戦（中国GP、日本GP、ブラジルGP）では完走を果たす。なお、F1参戦に伴い、KONDO RacingとNISMOとの契約は解除された。
玉井は下関から釜山を経由し、ロシアのウラジオストクへ向かった。直接ドイツに向かわずウラジオストクに向かったのは、名目上は日露貿易の勉強のためということであったが、実際は、ドイツまで直接行く費用がなかったため、道中で資金を稼ぎながらシベリアを横断しようと考えたためであった。なお、文献によってはこれを「密入国」と書いているものもあるが、玉井のパスポートが現存しており、これは誤りである。ウラジオストクでは、冤罪で投獄されるというアクシデントに遭ったことや、旅費を稼ぐために働いていたこともあって約6カ月滞在している。1893年（明治26年）5月31日、旅費がある程度貯まったためウラジオストクを出発した玉井は、ハバロフスクからアムール川を汽船で遡上してブラゴヴェシチェンスクに向かった。同地で3週間働いて旅費を稼いだ後、スレチェンスク-チタ-ヴェルフネウジンスク（現ウラン・ウデ）-イルクーツクと西進する。なおこの時、陸路の多くでは茶を運ぶキャラバンに同行していた（当時のロシアはイギリスに次ぐ世界第2位の茶輸入大国であり、その大部分は清からシベリアを経由して輸送されていた）。イルクーツクに到着した玉井は、ここで旅の続行の危機に陥る。ウラジオストクで稼いだ資金が底を突いた上、慣れない食事による下痢や悪路を走る馬車に長時間乗っていたことなどが原因で重度の痔を患ってしまっており、労働はおろか眠ることさえできないほどの痛みに苦しめられることになっていたのである。しかしここで、神学校で学ぶため単身ロシアに渡っていた椎名保之助というかつての東京速成学館の生徒と再会。椎名の協力を得て、3カ月半の滞在の後にイルクーツクを出発することができた。イルクーツクからトムスクまでは、また茶のキャラバンに同行したが、これは厳寒期だったため過酷な道のりとなった。気温は氷点下40℃前後の日が多く、着ている毛皮の外套が凍りついて板のようになることさえあった。また隊はあくまでも茶を早く輸送することが目的であり、本来の客ではない玉井は隊に置いていかれることもしばしばで、極寒の中を走って隊を追いかけざるを得ないときもあった。また、道中で盗賊に襲われたということも記録されている。このような30日間の道のりの末に辿り着いたトムスクでは、トムスク大学や、現地の新聞『シベリア報知』の人間から支援を受けることができた。このため、以降は鉄道などを使って順調に進むことができ、1894年（明治27年）2月26日、当初の目的地であったベルリンに到着する。日本を発ってから467日目のことであった。