Petrov terminó en tercera posición con una victoria en el Circuito Internacional de Sepang en la temporada 2008 de GP2 Asia Series para Campos, detrás del campeón Romain Grosjean y Sébastien Buemi.

Terminó séptimo en la clasificación final, teniendo la victoria en el Circuito urbano de Valencia.

[1]​ Después de no acabar en las tres primeras pruebas, en su cuarta carrera adelantó a Felipe Massa, al heptacampeón Michael Schumacher e incluso al Red Bull de Mark Webber, acabando 7.º con 6 puntos.

En Suzuka, su carrera duró unos pocos metros, ya que en la salida, al tratar de pasar a Hulkenberg, Petrov choca con él y se estrelló contra las protecciones, provocando su quinto abandono y terminando con la carrera del alemán.

Con estas 5 carreras consecutivas sin puntuar, se volvía a poner en duda su continuidad en la escudería francesa.

Petrov acabaría el año con una gran actuación en Abu Dhabi al acabar 6°, siendo uno de los protagonistas en la lucha por el campeonato y sobre todo al haberle impedido el paso a Fernando Alonso para que se hubiese coronado tricampeón.En diciembre de ese año renovó por dos años más en la escudería, ahora denominada en Lotus Renault GP.

[2]​ Vitali declaró que, tras su experiencia en su primera temporada, ahora estaba preparado para dar lo mejor de sí.

En las siguientes carreras no logró puntuar con regularidad debido al bajón del coche, destacando su 5.ª posición en el caótico GP de Canadá, pero en contraste se muestra más cercano a las prestaciones de su compañero Nick Heidfeld, quien acaba siendo reemplazado por Bruno Senna.

[4]​ A diferencia de Jarno Trulli, generalmente Vitali no desentonaba en la comparación con su compañero Heikki Kovalainen.

Junto a sus compatriotas Kirill Ladygin y Viktor Shaytar, fue tercero en su clase en las 24 Horas de Le Mans 2016.