Durante a temporada 2007, ele foi o piloto oficial de testes e reserva da equipe de Fórmula 1 da Renault. Para a temporada 2008 Piquet foi promovido para a equipe de corrida da Renault. Ele dirigiu ao lado de Fernando Alonso, duplo campeão mundial de volta.
A primeira corrida da temporada 2008 na Austrália viu Piquet partir em 21º lugar e danificar seu carro em uma colisão na volta de abertura. Ele finalmente se retirou na volta 31. Este foi exatamente o mesmo resultado que seu pai obteve em sua primeira corrida no Grande Prêmio da Alemanha de 1978. Piquet qualificou-se em 10º para o Grande Prêmio da Espanha, sua primeira posição entre os 10 melhores de sua carreira. Piquet marcou seus primeiros pontos na F1 com um 7º lugar no Grand Prix da França. Ele passou por seu colega de equipe Alonso nas últimas voltas. No Grand Prix da Alemanha, terminou em segundo lugar e seu primeiro lugar no pódio.
A Renault cantou Piquet para um contrato de um ano para a temporada 2009. Sua primeira corrida, em 2009 na Austrália, terminou na volta 24 com falha dos freios. A China foi outra decepção. Ele rodou várias vezes, exigindo dois novos cones de nariz para seu carro. Ele terminou em 16º e último, duas voltas abaixo, no que o gerente de equipe Flavio Briatore descreveu como uma "corrida muito, muito ruim". Sua melhor corrida do ano foi um décimo lugar no Bahrein.
Em 3 de agosto de 2009, Piquet confirmou que ele havia sido abandonado pela Renault. Ele bateu forte em seu antigo gerente e chefe de equipe, Briatore. Ele o chamou de seu 'carrasco' e questionou os conhecimentos de Fórmula 1 do Briatore. Piquet também disse que o chefe da Renault era a favor do colega de equipe Fernando Alonso. O piloto de testes e reserva da Renault Romain Grosjean substituiu Piquet para o resto da temporada.
Investigação da FIA 2009
Depois que Piquet deixou a equipe de F1 da Renault, a mídia começou a fazer reivindicações sobre Piquet. Disseram que tinha batido com seu carro de propósito no Grande Prêmio de Cingapura 2008. Eles disseram que ele fez isso para beneficiar o companheiro de equipe Fernando Alonso. Alonso tinha feito uma parada precoce nas boxes, e estava muito atrás dos líderes. Alonso continuou para vencer a corrida. Na época, Piquet havia dito o acidente como um simples erro.
Piquet disse à FIA que tinha sido de propósito. Ele disse que havia sido solicitado pelo diretor da equipe Renault, Flávio Briatore, e pelo engenheiro Pat Symonds para encenar o acidente. Em troca de sua declaração, Piquet recebeu imunidade por parte da FIA. Em 4 de setembro de 2009, a Renault F1 foi acusada de conspiração e fixação de corrida. Em 16 de setembro, a Renault anunciou que não contestaria as acusações, e que Briatore e o engenheiro de equipe Symonds haviam deixado a equipe.
Piquet tem recebido críticas de muitos na comunidade de F1. O comentarista da BBC F1 Martin Brundle sugeriu que Piquet Jr. estava agora sem emprego na Fórmula 1, dizendo que nenhuma equipe ou patrocinador quereria ser associado com a família Piquet. Piquet decidiu mudar-se para a NASCAR para 2010.
