Vitaly Petrov
Formula 1 > 2010–11: Renault F1

Sebelum sah diambil tim Renault, Petrov sempat dihubung-hubungkan dengan Sauber dan Campos Meta Team. Ia kemudian diumumkan menjadi pembalap Renault untuk musim 2010 pada tanggal 31 Januari, dan ia mencatatkan sejarah sebagai pembalap F1 pertama asal Rusia. Rencananya, Petrov akan dikontrak Renault selama satu musim dengan opsi perpanjangan bila prestasinya memuaskan. Mitra Petrov untuk musim 2010 adalah Robert Kubica.
Musim 2010 diawali Petrov dengan kekecewaan saat ia tiga kali gagal finish di seri Bahrain, Australia, dan Malaysia. Petrov kemudian berhasil bangkit dan meraih poin perdananya di China saat finish di P7. Kemudian sesudah itu Petrov kembali gagal menunjukan prestasinya, dan tim Renault dikabarkan mulai tidak puas dengan penampilan Petrov. Eric Boullier, bos tim Renault, kemudian memberikan spekulasi tentang beberapa nama baru yang kemungkinan akan menggantikan Petrov, diantaranya Adrian Sutil, Kimi Räikkönen, dan Nick Heidfeld. Namun Boullier juga menegaskan nama-nama baru tadi sebisa mungkin harus bisa membawa masuk uang ke tim. Petrov kemudian bergerak cepat, dan ia langsung membawa beberapa sponsor baru ke Renault di pertengahan musim. Petrov juga berhasil bangkit dan meraih poin di seri Jerman dengan finish di P10. Di dua seri selanjutnya, Petrov kembali meraih poin dengan finish di P5 (Hungaria) dan P9 (Belgia). Penampilan memukau Petrov kemudian diperlihatkan di Abu Dhabi dengan menahan laju Fernando Alonso dan Mark Webber selama 40 lap, sekaligus memupus harapan dua pembalap papan atas tersebut untuk bersaing memperebutkan gelar juara dunia 2010. Petrov sendiri yang sesudah balapan tampak dimarahi Alonso dan Webber kemudian membela diri dengan mengatakan bahwa ia hanya ingin mempertahankan posisi. Petrov mengakhiri musim 2010 dengan berada di P13 klasemen dengan raihan 27pts.
Untuk musim 2011, Petrov akan tetap membalap di Renault, setelah menandatangani kontrak 2 musim pada 22 Desember 2010  Pada balapan perdana F1 2011 di Australia, Petrov naik podium untuk pertama kalinya setelah finish di P3 di belakang Sebastian Vettel dan Lewis Hamilton. Di balapan selanjutnya di Grand Prix Malaysia Petrov kembali nyaris mendapatkan angka sebelum akhirnya ia terhempas saat mobilnya melindas kerbs. Petrov membayar kesalahannya dengan meraih angka di China dan Turki. Di Monte Carlo Petrov sempat dilarikan ke rumah sakit setelah ia terlibat kecelakaan bersama Adrian Sutil, Lewis Hamilton dan Jaime Alguersuari. Ia saat itu mengalami kaki terkilir dan tidak bisa keluar dari kokpit. Petrov lantas kembali di Grand Prix Kanada dan langsung meraih angka dengan finish di P5. Di Grand Prix Italia, Petrov kembali terlibat kecelakaan di tikungan pertama selepas start bersama Nico Rosberg dan Vitantonio Liuzzi. Kecelakaan yang serupa kemudian terjadi lagi di Korea ketika kali ini Petrov menyeruduk bagian ekor mobil Michael Schumacher yang kemudian berujung pada hukuman turun lima posisi bagi Petrov di India. Usai tampil mengecewakan di India dan Abu Dhabi, Petrov kemudian menyerang balik tim Renault dan menuduh bahwa tim yang ia bela tersebut tidak mampu membuat mobil kompetitif, strategi tim yang jelek dan minim pengembangan sasis. Tidak lama berselang sesudah ia mengucapkan perkataannya tersebut, Petrov meminta maaf kepada tim. Diindikasikan kursi Petrov untuk 2012 bisa terancam jika ia tidak segera memperbaiki hubungannya dengan tim. Bos Renault Eric Boullier kemudian menutup permasalahan ini dengan memaafkan Petrov. Petrov menutup musim 2011 dengan meraih angka tunggal di Brasil saat ia finish di posisi 10.