Κατά τη διάρκεια της σεζόν 2007 ήταν ο επίσημος δοκιμαστής και εφεδρικός οδηγός της ομάδας Renault Formula One. Για τη σεζόν 2008 ο Piquet προήχθη στην αγωνιστική ομάδα της Renault. Οδηγούσε δίπλα στον επιστρέφοντα διπλό παγκόσμιο πρωταθλητή Fernando Alonso.
Στον πρώτο αγώνα της σεζόν του 2008 στην Αυστραλία, ο Piquet εκκίνησε 21ος και υπέστη ζημιά στο μονοθέσιό του σε σύγκρουση στον πρώτο γύρο. Τελικά εγκατέλειψε στον 31ο γύρο. Αυτό ήταν ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα που πέτυχε ο πατέρας του στον πρώτο του αγώνα στο 1978 Γερμανικό Γκραν Πρι. Ο Piquet προκρίθηκε στη 10η θέση για το ισπανικό Grand Prix, την πρώτη του θέση στην πρώτη 10άδα της καριέρας του. Ο Piquet σημείωσε τους πρώτους του βαθμούς στην F1 με την 7η θέση στο γαλλικό Grand Prix. Προσπέρασε τον team mate του Alonso στους τελευταίους γύρους. Στο γκραν πρι της Γερμανίας, τερμάτισε στη δεύτερη θέση και στο πρώτο του βάθρο.
Η Renault υπέγραψε με τον Piquet μονοετές συμβόλαιο για το 2009 για τη σεζόν. Ο πρώτος του αγώνας, το 2009 στην Αυστραλία, έληξε στον 24ο γύρο με βλάβη στα φρένα. Η Κίνα ήταν άλλη μια απογοήτευση. Γύρισε αρκετές φορές, με αποτέλεσμα να χρειαστούν δύο νέοι κώνοι μύτης για το μονοθέσιό του. Τερμάτισε 16ος και τελευταίος, δύο γύρους πίσω, σε έναν αγώνα που ο διευθυντής της ομάδας Flavio Briatore περιέγραψε ως "πολύ, πολύ κακό αγώνα". Ο καλύτερος αγώνας του φέτος ήταν μια δέκατη θέση στο Μπαχρέιν.
Στις 3 Αυγούστου 2009 ο Piquet επιβεβαίωσε ότι είχε εγκαταλειφθεί από τη Renault. Χτύπησε σκληρά τον πρώην μάνατζέρ του και επικεφαλής της ομάδας Briatore. Τον αποκάλεσε "δήμιό του" και αμφισβήτησε τις γνώσεις του Briatore στη Formula 1. Ο Piquet είπε επίσης ότι το αφεντικό της Renault ευνοούσε τον ομόσταυλό του Fernando Alonso. Ο δοκιμαστής και εφεδρικός οδηγός της Renault Romain Grosjean αντικατέστησε τον Piquet για το υπόλοιπο της σεζόν.
Έρευνα της FIA το 2009
Μετά την αποχώρηση του Piquet από την ομάδα Renault F1, τα μέσα ενημέρωσης άρχισαν να διατυπώνουν ισχυρισμούς για τον Piquet. Είπαν ότι είχε τρακάρει το μονοθέσιό του επίτηδες στο 2008 Grand Prix της Σιγκαπούρης. Είπαν ότι το έκανε αυτό για να ωφελήσει τον team-mate Fernando Alonso. Ο Alonso είχε κάνει πρόωρο pit stop και βρισκόταν πολύ πίσω από τους πρωτοπόρους. Ο Alonso συνέχισε να κερδίζει τον αγώνα. Εκείνη την εποχή, ο Piquet είχε πει ότι η σύγκρουση ήταν ένα απλό λάθος.
Ο Piquet είπε στη FIA ότι αυτό έγινε επίτηδες. Είπε ότι του είχε ζητηθεί από τον επικεφαλής της ομάδας της Renault Flavio Briatore και τον μηχανικό Pat Symonds να σκηνοθετήσει τη σύγκρουση. Σε αντάλλαγμα για τη δήλωσή του, ο Piquet έλαβε ασυλία από τη FIA. Στις 4 Σεπτεμβρίου 2009, η Renault F1 κατηγορήθηκε για συνωμοσία και στήσιμο αγώνων. Στις 16 Σεπτεμβρίου, η Renault ανακοίνωσε ότι δεν θα αμφισβητήσει τις κατηγορίες και ότι ο Briatore και ο μηχανικός της ομάδας Symonds αποχώρησαν από την ομάδα.
Ο Piquet δέχτηκε κριτική από πολλούς στην κοινότητα της F1. Ο Martin Brundle, σχολιαστής του BBC F1, πρότεινε ότι ο Piquet Jr. είναι πλέον άχρηστος στη Formula 1, λέγοντας ότι καμία ομάδα ή χορηγός δεν θα ήθελε να συνδεθεί με την οικογένεια Piquet. Ο Piquet αποφάσισε να μετακομίσει στο NASCAR για το 2010.