En 1992 Rosberg se subió a un coche de Formula 1 por primera vez a los seis años. Pese a ser naturales de Alemania, la familia Rosberg estaba afincada en Mónaco, por lo que Nico daría sus primeros pasos como piloto en las competiciones del sur de Francia. En 1996 se proclamó campeón de la liga Côte d’Azur en la categoría de diez a doce años. Al año siguiente ganó el campeonato francés de la misma categoría. En 1999 sus actuaciones le dan la oportunidad de ponerse a los mandos de un Fórmula A para disputar el campeonato de Europa, en el que logra la segunda posición y un asiento para el campeonato mundial de la misma categoría.

Para la temporada de 2002 en la Fórmula BMW, Nico Rosberg corre con el equipo Viva Racing de su padre. En dicha temporada logra hacerse fácilmente con el campeonato. En 2003 y 2004, Rosberg participa en las Fórmula 3 Euroseries. En su primera temporada logra una victoria y el octavo puesto general; al año siguiente ganó tres carreras, consiguiendo la cuarta posición en el campeonato.

Nico Rosberg decide dar el salto a la recién creada categoría GP2 Series. Rosberg es fichado por el equipo ART Grand Prix con el cual participa en las 23 carreras programadas de la temporada inaugural de la categoría. Tras un inicio de temporada no muy prometedor en el cual solo había logrado un punto, logra desencadenar una racha de doce carreras seguidas en la zona de puntos, durante la cual ganó tres carreras. En la parte final de la temporada, Rosberg logra cinco podios en seis carreras, logrando ganar las últimas dos carreras de la temporada en Bahréin para sellar el campeonato de la GP2 Series de 2005 sobre Heikki Kovalainen. Al final de temporada Nico Rosberg logro puntea en veinte de las veintitrés carreras de la temporada, logrando doce podios con cinco victorias y cuatro Pole, para un total de 120 puntos, los cuales aún permanecen como los totales más altos jamás alcanzados en la historia de dicha categoría. Además, durante la temporada 2005, fue también probador del equipo WilliamsF1.

Nico Rosberg es fichado por el equipo Williams de Fórmula 1 para 2006. En su año de debut, Rosberg tuvo como compañero al piloto australiano , quien venía de encarar su primera temporada en el equipo, aunque asociado con BMW por aquel entonces. Algo ansioso por crear una buena impresión en Bahréin, Rosberg comete algunos errores y sólo logra clasificarse 12º en su primera carrera de debut, partiendo justo detrás del campeón de 1997 Jacques Villeneuve. Para su segunda carrera de la temporada, en Malasia, Rosberg logra clasificarse en un excelente tercer puesto, superando a su compañero Mark Webber y a pilotos como Fernando Alonso y Michael Schumacher. Sin embargo, en carrera el motor Cosworth de su Williams se rompe y le priva de pelear por un puesto en el podio. Durante el resto del año, el rendimiento de Nico estuvo siempre condicionado a la baja competitividad y la poca fiabilidad de su FW28, que le obligó a abandonar en ocho de dieciocho carreras. Al final, Rosberg sólo pudo sumar cuatro puntos, terminando 17 en la general de pilotos; pero dejando un buen sabor de boca.

Para la temporada 2007, Williams fichó al experimentado piloto austriaco Alexander Wurz para ser el compañero de Rosberg, ya que Mark Webber se incorporó a Red Bull. Inicialmente, el FW29 motorizado por Toyota había mostrado cierto potencial en las pruebas de pretemporada, aunque Rosberg se mostró bastante realista al decir que «En la Fórmula 1 normalmente no puedes dar un salto hacia delante en la parrilla de un año para otro». Rosberg logró sumar puntos en siete de diecisiete carreras en la temporada, aunque algunas situaciones ajenas a él le privaron de sumar una buena cantidad de puntos. Al final de la temporada, Rosberg logró firmar su mejor resultado en la máxima categoría con un excelente cuarto lugar en Brasil, pero lo asombroso del cuato puesto es que en el proceso logró adelantar a los BMW de Nick Heidfeld y Robert Kubica, en una maniobra que fue considerada por muchos como una de las mejores de la temporada. Nico termino con veinte puntos, quedando así noveno en la clasificación de pilotos. Estuvo cerca de poder fichar por McLaren para el año siguiente, pero la operación no se consumó

La temporada 2008 fue bastante prometedora para Nico Rosberg desde los entrenamientos de pretemporada, pues el equipo pensó que había logrado avanzar bastante con el nuevo diseño del FW30, el cual mostró un excelente rendimiento durante los test invernales. El Gran Premio de Australia dio inicio a una temporada de altos y bajos para Nico Rosberg, quien nuevamente veía como cambian a su compañero, en esta ocasión por el protegido de Toyota Kazuki Nakajima. Después de una serie de acontecimientos y coches de seguridad en una carrera bastante agitada, Rosberg consigue firmar su primer podio en la Fórmula 1 con un tercer lugar. El resto de la temporada fue caracterizada por básicamente lo mismo, viendo a Rosberg sumando en sólo cinco carreras en todo el año y terminando el campeonato con 17 puntos, tres menos que la temporada anterior. No obstante, se vio bastante cerca de la victoria cuando luego de una serie de incidentes que involucraron el coche de seguridad durante el Gran Premio de Singapur, logra firmar su mejor resultado hasta ese momento en la F1 con un segundo puesto en su carrera número 50 en la máxima categoría, a pensar de sufrir una penalización de diez segundos por repostar con el coche de seguridad en pista.

La temporada 2009 dio inicio con polémicas que envolvía al equipo Williams F1 así como a Toyota y al equipo formado a partir de Honda, Brawn GP, debido al diseño revolucionario e ingenioso de su difusor, el cual fue reportado por Adrian Newey de Red Bull Racing, como una parte aerodinámica que proporcionaba más de un segundo por vuelta. El FW31 se mostró competitivo durante las primeras dos carreras de la temporada, incluso Rosberg fue capaz de clasificarse cuarto en Malasia. A pesar del potencial del auto, Rosberg no había podido capitalizar en pista debido a varios errores estratégicos de Williams desde la pared de boxes que perjudicaron al alemán. Desde el Gran Premio de España, Rosberg inició una racha de ocho carreras seguidas logrando sumar puntos para su equipo, firmando grandes actuaciones. Al final de temporada Rosberg logró sumar 34.5 puntos, siendo estos todos los puntos sumados por WilliamsF1 en la temporada, pues su compañero de equipo Kazuki Nakajima no logró puntuar ni una sola vez.

En noviembre de 2009 Rosberg fue anunciado oficialmente como el primer fichaje del equipo Mercedes GP para la temporada de 2010. Justamente un mes después, el 23 de diciembre de 2009, el equipo Mercedes Grand Prix anuncio al fichaje y la vuelva a competición de Michael Schumacher. Rosberg cedió su número a Schumacher a petición de este, debido a que Schumacher es supersticioso y prefería el número impar de Nico (el 3 en vez del 4). En su carrera de debut en Bahréin con Mercedes GP, Nico Rosberg logró clasificarse en el quinto puesto, al igual que en Australia. En Sepang Rosberg logra terminar en el podio con su tercer puesto, puntuando por tercera carrera consecutiva y dándole a Mercedes-Benz su primer podio en la máxima categoría desde el año 1955. En China, Nico volvió a brillar y consiguió otro podio, completando un fantástico arranque de temporada, a partir de ahí el Mercedes MGP W01 perdió fuelle respecto a la competencia y Rosberg sólo pudo obtener un nuevo podio en Silverstone y un cuarto puesto en Abu Dabi como mejores actuaciones, pero en contrapartida superó ampliamente a su compañero de equipo en la clasificación final.

Para la temporada 2011, Mercedes de nuevo vuelve a contar con Rosberg y Schumacher. Sin embargo, el comienzo de Nico no es bueno, ya el coche no es tan competitivo como lo fue en 2010. Tuvo un muy mal arranque al quedarse las 2 primeras carreras sin puntuar. Pero en China, hace una excelente carrera, llegando a rodar primero, hasta que un problema con el combustible le aleja de lo que hubiese sido su primera victoria u otro podio, acabando 5°. Llegada la gira en Europa, puntúa en 7 carreras, se queda fuera de los puntos en una y sólo abandona en una. En Canadá, la carrera más complicada del año, rodaba en los puntos hasta que en las últimas vueltas daña el alerón y acabó 11°. Llega la gira asiática y Nico logra puntuar en todas las pruebas. En  también lo consigue. En el tramo final, Schumacher se recuperó y luchó por alcanzarlo en la clasificación general, pero de nuevo por segundo año consecutivo, Rosberg logra superarlo otra vez.

De nuevo Rosberg y Schumacher son de nuevo los pilotos oficiales de Mercedes para l atemporada 2012. El coche se mostró muy fuerte y competitivo en la pretemporada, pero en las 2 primeras carreras de año, Rosberg vuelve a tener otro mal comienzo al quedarse en las 2 sin puntuar. Tras 110 participaciones en la Fórmula 1 obtuvo su primera pole position en el Gran Premio de China. Nico hizo una gran Q3 sacándole más de medio segundo al segundo clasificado Lewis Hamilton y en tercero queda su coequipier Michael Schumacher. Como Hamilton es penalizado por cambiar la caja de cambios con 5 posiciones los Mercedes arrancarán en la primera línea, hecho que no se concretaba desde el Gran Premio de Monza de 1955.4 El domingo, Nico domina la carrera y gana con autoridad, logrando su primera victoria. Pero a partir de ahí, el coche no es tan competitivo y sólo puede aspirar a puntuar.

Rosberg se mantiene en Mercedes para la temporada 2013 en la que comparte equipo con Lewis Hamilton después de que Hamilton firmara un contrato de tres años con el equipo. Rosberg se retiró del Gran Premio de Australia con un problema eléctrico, y terminó cuarto en el Gran Premio de Malasia, después de recibir la orden por el equipo de no adelantar Hamilton. Durante el Gran Premio de Mónaco, obtuvo la pole position, lideró todas las vueltas y ganó la carrera, especialmente destacable dado que considera Mónaco su casa y que su padre Keke Rosberg ganó la misma carrera exactamente treinta años antes. El 30 de junio, Rosberg consiguió su segunda victoria de la temporada y tercera de su carrera en el Gran Premio de Gran Bretaña.