Tijdens het seizoen 2007 was hij de officiële test- en reservecoureur voor het Renault Formule 1-team. Voor het seizoen 2008 werd Piquet gepromoveerd naar het Renault raceteam. Hij reed naast de terugkerende tweevoudig wereldkampioen Fernando Alonso.
Tijdens de eerste race van het seizoen 2008 in Australië startte Piquet als 21ste en beschadigde hij zijn wagen bij een aanrijding in de openingsronde. Hij stopte uiteindelijk in ronde 31. Dit was exact hetzelfde resultaat als zijn vader behaalde in zijn eerste race tijdens de Duitse Grand Prix van 1978. Piquet kwalificeerde zich als 10de voor de Spaanse Grand Prix, zijn eerste top 10 kwalificatiepositie uit zijn carrière. Piquet scoorde zijn eerste punten in de F1 met een 7e plaats tijdens de Franse Grand Prix. Hij passeerde zijn teamgenoot Alonso in de laatste paar ronden. Tijdens de Grand Prix van Duitsland eindigde hij op de tweede plaats en behaalde zijn eerste podiumplaats.
Renault heeft Piquet een eenjarig contract gegeven voor het seizoen 2009. Zijn eerste race, in 2009 in Australië, eindigde in de 24e ronde met een defecte rem. China was een andere teleurstelling. Hij spinde verschillende keren, waardoor hij twee nieuwe neuskegels voor zijn auto nodig had. Hij eindigde als 16e en laatste, met twee ronden achterstand, in wat teammanager Flavio Briatore omschreef als een "zeer, zeer slechte race". Zijn beste race van het jaar was een tiende plaats in Bahrein.
Op 3 augustus 2009 bevestigde Piquet dat hij door Renault was ontslagen. Hij haalde hard uit naar zijn voormalige manager en teambaas Briatore. Hij noemde hem zijn 'beul' en zette vraagtekens bij Briatore's kennis van de Formule 1. Piquet zei ook dat de Renault-baas teamgenoot Fernando Alonso bevoordeelde. Renaults test- en reservecoureur Romain Grosjean verving Piquet voor de rest van het seizoen.
2009 FIA-onderzoek
Nadat Piquet het F1-team van Renault had verlaten, begonnen de media beweringen te doen over Piquet. Ze zeiden dat hij zijn auto opzettelijk had gecrasht tijdens de 2008 Grand Prix van Singapore. Ze zeiden dat hij dit deed om teamgenoot Fernando Alonso te bevoordelen. Alonso had een vroege pitstop gemaakt, en zat ver achter de leiders. Alonso won de race. Piquet had de crash destijds afgedaan als een simpele fout.
Piquet vertelde de FIA dat het met opzet was geweest. Hij zei dat hij door Renault-teambaas Flavio Briatore en ingenieur Pat Symonds was gevraagd om de crash in scene te zetten. In ruil voor zijn verklaring kreeg Piquet immuniteit van de FIA. Op 4 september 2009 werd Renault F1 aangeklaagd wegens samenzwering en racefixing. Op 16 september kondigde Renault aan dat ze de aanklacht niet zouden aanvechten, en dat Briatore en teamingenieur Symonds het team hadden verlaten.
Piquet heeft kritiek gekregen van velen in de F1 gemeenschap. BBC F1-commentator Martin Brundle suggereerde dat Piquet Jr. nu niet meer inzetbaar was in de Formule 1 en zei dat geen enkel team of sponsor nog geassocieerd wil worden met de familie Piquet. Piquet besloot om voor 2010 over te stappen naar NASCAR.
