Während der Saison 2007 war er der offizielle Test- und Reservefahrer des Renault-Formel-1-Teams. Für die Saison 2008 wurde Piquet in das Renault-Rennteam befördert. Er fuhr an der Seite des zurückkehrenden Doppelweltmeisters Fernando Alonso.
Beim ersten Rennen der Saison 2008 in Australien startete Piquet als 21. und beschädigte sein Auto bei einer Kollision in der ersten Runde. In Runde 31 schied er schließlich aus. Dies war genau das gleiche Ergebnis, das sein Vater in seinem ersten Rennen beim Großen Preis von Deutschland 1978 erzielte. Piquet qualifizierte sich als Zehnter für den Grossen Preis von Spanien, seine erste Top-10-Qualifikationsposition seiner Karriere. Seine ersten Punkte in der F1 erzielte Piquet mit einem 7. Platz beim Großen Preis von Frankreich. In den letzten Runden zog er an seinem Teamkollegen Alonso vorbei. Beim Grossen Preis von Deutschland belegte er den zweiten Platz und seinen ersten Podiumsplatz.
Renault vergab an Piquet einen Einjahresvertrag für die Saison 2009. Sein erstes Rennen, 2009 in Australien, endete in Runde 24 mit einem Bremsversagen. China war eine weitere Enttäuschung. Er drehte sich mehrere Male und benötigte zwei neue Nasenkonen für sein Auto. Er wurde 16. und Letzter, zwei Runden später, in einem Rennen, das Teammanager Flavio Briatore als "sehr, sehr schlechtes Rennen" bezeichnete. Sein bestes Rennen des Jahres war ein zehnter Platz in Bahrain.
Am 3. August 2009 bestätigte Piquet, dass er von Renault fallen gelassen worden war. Er traf seinen ehemaligen Manager und Teamchef Briatore hart. Er nannte ihn seinen "Henker" und stellte Briatores Formel-1-Kenntnisse in Frage. Piquet sagte auch, der Renault-Boss habe seinen Teamkollegen Fernando Alonso bevorzugt. Renaults Test- und Reservefahrer Romain Grosjean ersetzte Piquet für den Rest der Saison.
2009 FIA-Untersuchung
Nachdem Piquet das F1-Team von Renault verlassen hatte, begannen die Medien Behauptungen über Piquet aufzustellen. Sie sagten, er sei beim Großen Preis von Singapur 2008 absichtlich mit seinem Auto verunglückt. Sie sagten, er habe dies zum Wohle seines Teamkollegen Fernando Alonso getan. Alonso hatte einen frühen Boxenstopp eingelegt und lag weit hinter den Führenden. Alonso fuhr fort, das Rennen zu gewinnen. Zu diesem Zeitpunkt hatte Piquet den Sturz als einfachen Fehler bezeichnet.
Piquet sagte der FIA, dass dies mit Absicht geschehen sei. Er sagte, er sei vom Renault-Teamchef Flavio Briatore und dem Ingenieur Pat Symonds gebeten worden, den Absturz zu inszenieren. Als Gegenleistung für seine Aussage erhielt Piquet von der FIA Immunität. Am 4. September 2009 wurde Renault F1 wegen Verschwörung und Rennabsprachen angeklagt. Am 16. September kündigte Renault an, die Anklage nicht anzufechten und dass Briatore und Teamingenieur Symonds das Team verlassen hätten.
Piquet hat von vielen aus der F1-Gemeinschaft Kritik erhalten. Der F1-Kommentator der BBC, Martin Brundle, vermutete, dass Piquet jr. in der Formel 1 nun arbeitslos sei und dass kein Team oder Sponsor mit der Piquet-Familie in Verbindung gebracht werden wolle. Piquet beschloss, für 2010 zu NASCAR zu wechseln.
