Sezon 2011 rozpoczął jako kierowca testowy zespołu Lotus Renault GP. Podczas pierwszego treningu do Grand Prix Węgier zastąpił Nicka Heidfelda. 24 sierpnia 2011 ogłoszono, że Senna zastąpi Heidfielda podczas całego weekendu Grand Prix Belgii i Włoch. Podczas swojego drugiego startu w LRGP, a dwudziestego w F1, w GP Włoch, zajmując dziewiąte miejsce (po starcie z dziesiątego) wywalczył swoje pierwsze dwa punkty w karierze Formuły 1 i pojawił się na 18. pozycji w klasyfikacji generalnej. Podczas nocnego wyścigu na Marina Bay w Singapurze wystartował z 15. miejsca i utrzymał je do mety.
17 stycznia 2012 zespół Williams potwierdził podpisanie kontraktu z Senną na starty w sezonie 2012.
Senna jeździł w kasku bazującym na tym, w którym jeździł jego tragicznie zmarły wuj, Ayrton Senna. Różni on się użyciem koloru granatowego zamiast czarnego oraz falowanymi liniami, podczas gdy tamten miał je proste.
Po Formule 1 Od 2013 roku Brazylijczyk startuje głównie w wyścigach długodystansowych, w FIA World Endurance Championship, American Le Mans Series oraz w 24-godzinnym wyścigu Le Mans. Poza tym Senna pojawiał się także w stawce Stock Car Brasil, Blancpain Endurance Series.