Pada 2010, Bruno Senna ditugaskan untuk membela tim yang masih segar di Formula 1, HRT. Dirinya mendapat tiga rekan satu tim yang berbeda pada musim tersebut, yaitu Christian Klien, Karun Chandhok, dan Sakon Yamamoto. Bagaimana pun, ini adalah musim Formula 1 yang sulit bagi Bruno Senna, di mana ia hanya sanggup finis ke-25 pada klasemen pembalap dengan raihan terbaik adalah finis ke-14 pada Grand Prix Korea.
Pada 2011, Bruno Senna dipilih Renault sebagai 1 dari 2 pembalap ketiga mereka. Sebagai seorang pembalap pengganti, pengalaman pertamanya di Formula 1 2011 terjadi pada pekan balap ke-12. Torehan terbaiknya di Formula 1 musim ini adalah finis kesembilan pada GP Italia yang membuatnya finis ke-18 dalam klasemen pembalap.
Pada 2012, Bruno Senna dikontrak Williams, tim asal Inggris yang dibela pamannya di Formula 1 1994. Secara keseluruhan, Bruno Senna meraup hasil yang lebih dominan di Formula 1 2012 daripada Formula 1 2011 dan 2010. Dalam musim Formula 1 ini, dirinya sukses finis keenam pada GP Malaysia dan menjadi yang tercepat pada GP Belgia. Hasilnya, Bruno Senna finis ke-16 pada klasemen pembalap Formula 1 dengan membukukan 31 poin.
Untuk 2013, Bruno Senna beralih membalap di Kejuaraan Ketahanan Dunia. Pada musim Kejuaraan Ketahanan Dunia yang satu ini, dirinya melaju di kelas GTE Pro untuk Aston Martin Racing dengan mengendarai mobil GT. Pembalap bermata cokelat ini berbagi mobil Aston Martin Racing dengan tokoh pembalap lain, seperti Darren Turner, Stefan Mucke, Fred Makowiecki, dan Rob Bell.
Karier Formula 1 Bruno Senna terbilang berlangsung cepat, meskipun dirinya memboyong nama pamannya sebagai identitas. Kasus serupa juga terjadi kepada Mick Schumacher, anak dari Michael Schumacher, yang hanya membalap selama 2 musim di Formula 1, per artikel ini ditulis. Memang, pembalap yang memiliki relasi dengan pembalap lain yang lebih populer, apalagi dalam konteks keluarga, akan mendapat tekanan yang lebih berat dalam berkarier.