22. srpna Eddie Jordan oznámil, že Senna nahradí Nicka Heidfelda pro zbývající závody sezóny 2011. Dne 24. srpna to potvrdila společnost Renault. Kvalifikoval se na sedmém místě ve svém prvním závodě s týmem, a skončil na 13. místě po srážce s Jaime Alguersuari v první zatáčce, za kterou Senna obdržel drive-through trest. Skončil devátý v závodě, získal své první body ve Formuli 1. V Singapuru se vozy Renault potýkaly s přilnavostí na pomalém pouličním okruhu, přičemž Senna se kvalifikoval a skončil patnáctý, před týmovým kolegou Petrovem. Senna skončil šestnáctý v Japonsku, třináctý v Koreji a dvanáctý v prvním kole, poté, co byl nucen změnit pneumatiky pozdě v závodě. V Abu Dhabi.
Senna opět skončil na šestnáctém místě poté, co obdržel pokutu za ignorování modrých vlajek a utrpěl selhání KERS. V závěrečném závodě sezóny, jeho domácí závod v Brazílii, Senna překonal Petrova potřetí, když začal devátý na startovním roštu. Na desátém kole závodu se Senna dostal do kolize s Michaelem Schumacherem, za kterou dostal pokutu a závod dokončil na sedmnáctém místě.