V sezoně 2007 byl oficiálním testovacím a rezervním jezdcem týmu Renault Formule 1. V sezóně 2008 byl Piquet povýšen do závodního týmu Renault. Jezdil po boku vracejícího se dvojnásobného mistra světa Fernanda Alonsa.
V prvním závodě sezony 2008 v Austrálii Piquet odstartoval z 21. místa a v úvodním kole poškodil svůj vůz při kolizi. Nakonec odstoupil v 31. kole. To byl přesně stejný výsledek, jakého dosáhl jeho otec ve svém prvním závodě v 1978 Grand Prix Německa. Do Velké ceny Španělska se Piquet kvalifikoval na 10. místě, což bylo jeho první umístění v první desítce kvalifikace v kariéře. Piquet získal své první body v F1 za 7. místo ve Velké ceně Francie. V posledních kolech předjel svého týmového kolegu Alonsa. Na Velké ceně Německa skončil na druhém místě a poprvé se umístil na stupních vítězů.
Renault podepsal s Piquetem roční smlouvu na rok. 2009 sezóny. Jeho první závod v roce 2009 v Austrálii skončil ve 24. kole kvůli poruše brzd. Dalším zklamáním byla Čína. Několikrát se roztočil, což si vyžádalo dva nové přední kužely pro jeho vůz. Skončil šestnáctý a poslední, se ztrátou dvou kol, což manažer týmu Flavio Briatore popsal jako "velmi, velmi špatný závod". Jeho nejlepším letošním závodem bylo desáté místo v Bahrajnu.
3. srpna 2009 Piquet potvrdil, že ho Renault opustil. Ostře se pustil do svého bývalého manažera a šéfa týmu Briatoreho. Nazval ho svým "katem" a zpochybnil Briatoreho znalosti o Formuli 1. Piquet také řekl, že šéf Renaultu upřednostňoval týmového kolegu Fernanda Alonsa. Testovací a rezervní jezdec Renaultu Romain Grosjean nahradil Piqueta po zbytek sezóny.
Vyšetřování FIA v roce 2009
Poté, co Piquet opustil tým Renault F1, začala média o něm psát. Tvrdily, že úmyslně havaroval na trati. 2008 Velké ceně Singapuru. Prý to udělal ve prospěch svého týmového kolegy Fernanda Alonsa. Alonso předčasně zastavil v boxech a byl daleko za vedoucími jezdci. Alonso pak závod vyhrál. Piquet tehdy označil havárii za prostou chybu.
Piquet řekl FIA, že to bylo úmyslné. Řekl, že ho o zinscenování nehody požádal šéf týmu Renault Flavio Briatore a inženýr Pat Symonds. Výměnou za svou výpověď dostal Piquet od FIA imunitu. Dne 4. září 2009 byl Renault F1 obviněn ze spiknutí a ovlivňování závodů. Dne 16. září Renault oznámil, že nebude obvinění zpochybňovat a že Briatore a týmový inženýr Symonds tým opustili.
Piquet se setkal s kritikou mnoha členů komunity F1. Komentátor BBC F1 Martin Brundle naznačil, že Piquet junior je nyní ve Formuli 1 nezaměstnatelný, a řekl, že žádný tým ani sponzor nebude chtít být spojován s rodinou Piquetových. Piquet se rozhodl pro rok 2010 přestoupit do NASCAR.
