Til tross for at han ble utkonkurrert av Alonso i 2003, oppnådde Trulli bedre resultater den påfølgende sesongen. I første halvdel av 2004-sesongen oppnådde han mange poengplasseringer, deriblant en pallplass i Spania. Han tok sin første og eneste seier i Formel 1 i Monacos Grand Prix, etter å ha utmerket seg fra pole position. Han gjorde det svært bra at laget vurderte å fortsette med Trulli i 2005-sesongen, men forholdet med teamsjef Flavio Briatore ble anstrengt, særlig etter at Trulli ble forbikjørt av Ferrari-fører Rubens Barrichello på sisterunden i Frankrikes Grand Prix, som kostet Trulli og Renault en pallplass. Etter løpet på Magny-Cours klarte han aldri å ta poeng, og med tre løp igjen av sesongen bestemte Renault seg for å sparke Trulli med umiddelbar virkning, til tross for at han lå på fjerdeplass foran Alonso i førermesterskapet. Trulli ble erstattet av verdensmesteren fra 1997, Jacques Villeneuve. Trulli hadde signert for Toyota for 2005-sesongen, men etter sparkingen fra Renault, fikk han kjøre for dem allerede i de to siste løpene av sesongen, hvor han erstattet Ricardo Zonta.