22. elokuuta Eddie Jordan ilmoitti, että Senna korvaa Nick Heidfeldin 2011 kauden jäljellä oleviin kisoihin. Renault vahvisti tämän 24. elokuuta. Hän pääsi seitsemänneksi ensimmäiseen kilpailuunsa ja pääsi 13. sijalle törmättyään Jaime Alguersuariin ensimmäisessä mutkassa, josta Senna sai drive-through-rangaistuksen. Hän pääsi yhdeksänneksi ja teki ensimmäiset pisteensä. Singaporessa Renault-autot kamppailivat pidettävyyden kanssa hitaalla kadunkäytävällä, kun Senna pääsi karkuun ja pääsi 15. sijalle joukkuetoverinsa Petrovin edellä. Senna sijoittui Japanissa 16. sijalle, Koreassa 13. sijalle ja 12. sijalle, kun hän joutui vaihtamaan renkaita kilpailun loppupuolella. Abu Dhabissa.
Senna pääsi taas 16. sijalle, kun hän sai drive-through-rangaistuksen sinisten lippujen huomiotta jättämisestä ja kärsi KERS-virheestä. Kauden viimeisessä kisoissa, kotiottelussa Brasiliassa, Senna voitti Petrovin kolmatta kertaa aloittamalla yhdeksänneksi. Kymmenennellä kierroksella Senna törmäsi Michael Schumacheriin, josta Senna sai drive-through-rangaistuksen, ja lopetti kisan 17. sijalla.