チームメイトに中嶋一貴を迎え、2人のドライバーが共に二世ドライバーで、かつ両方の親（ケケ・ロズベルグと中嶋悟）がふたりとも『母国（フィンランドと日本）初のフルタイムF1ドライバー（但しケケはフィンランド国籍だが、ニコはドイツ国籍）』というラインナップで臨んだシーズンとなった。開幕戦オーストラリアGPでは荒れたレースの中で、初表彰台となる3位を獲得。このレースで優勝したカート時代からの僚友・ルイス・ハミルトンとパドックで抱き合ってはしゃいで喜びを爆発させた。第7戦カナダGPにてピットロード出口の赤信号を見落とすミスを犯し、同じく信号を見落としキミ・ライコネンに追突したルイス・ハミルトンの後方から追突。これにより次戦第8戦フランスGPでの予選10グリッド降格のペナルティが下された。シーズン中盤以降は徐々に戦闘力を落としていくマシンに苦戦したが、第15戦シンガポールGPではセーフティカーが導入されたタイミングや、その後に自身に課せられたペナルティの裁定が遅れたことなどが功を奏し、自己最高位となる2位表彰台を獲得した[5]。その一方で前年同様一発の速さがある一方で、ムラがある走りも残っており、ポイント数こそ差がついたものの、ニコと中嶋の入賞回数は同じ（5回）というシーズンだった。その一方で2度の表彰台経験からシーズン中から度々移籍の噂が流れるなど、その去就に注目が集まっていたが、2009年もウィリアムズに残留することが決まった[6][7][8]。
2009年

開幕戦オーストラリアGPではフリー走行の全てのセッションでトップタイムを記録したが、期待された予選は5位に終わった。決勝はピットストップでトラブルに見舞われ順位を大きく落としながらも、レース終盤には自身2度目となるファステストラップを記録し、6位に入賞した。第2戦マレーシアGPでも入賞し、次の2戦こそ入賞圏外でレースを終えたが、その後の第5戦スペインGPから第12戦ベルギーGPまで、8戦連続で入賞した。しかし第13戦イタリアGPでは今期初の予選Q1敗退。決勝レースでも序盤に接触したのち16位という結果に終わった。このレースで完走したことにより連続完走記録を25戦に伸ばし、ミハエル・シューマッハの24戦を抜いて歴代2位となった。第14戦シンガポールGPでは自身予選最高位タイとなる3位を獲得。決勝では最初のピットアウトの際にオーバースピードから出口付近の白線を横断するミスを犯し、ドライブスルーペナルティが科せられた。セーフティカー導入後にペナルティを消化せざるを得ない事態となったことで下位に沈み、11位でフィニッシュ。2戦連続ノーポイントに終わった。第15戦日本GPでは5位に入賞し3戦振りのポイントを獲得した。

11月23日、翌年からF1ワークス活動を再開するメルセデスへの移籍を発表した。
メルセデス
2010年メルセデス初年度（2010年）

チームメイトは4シーズンぶりにF1に復帰したミハエル・シューマッハ。

開幕戦バーレーンGPから予選・決勝ともにシューマッハを上回る成績を収めた。第3戦マレーシアGPはウェットコンディションの予選で自身初となるフロントローを獲得し、決勝でも3位表彰台を獲得。

この年は表彰台3回の活躍を見せている。また、総合ポイントでミハエル・シューマッハを大きく上回った。
2011年

引き続きメルセデスで参戦。この年は第3戦中国GP、第4戦トルコGPで獲得した5位が最高位となり、前年のような表彰台獲得には至らなかった。最終的には14回の入賞で、2年連続で総合成績でシューマッハを上回ったが、序盤戦こそシューマッハを上回る走りを見せていたが、終盤戦からはシューマッハの後塵を拝すレースが続いた。
2012年チーム初優勝したマシンW03（2012年）

第3戦中国GPでは、予選で圧倒的な速さを見せ、決勝でもF1参戦7年目の111戦目にして[9]、ポール・トゥ・ウィンでのF1初優勝を飾った。また第6戦モナコグランプリでは2位入賞し、モナコで自身初の表彰台を獲得した[10]。

1勝を含めて10回入賞し、総合成績では3年連続でチームメイトのシューマッハを上回ったものの、終盤6戦では入賞なし（うちリタイア3回）と失速し、ドライバーズランキングでは前年を下回る9位となった。
2013年

チームメイトは前年に2度目の引退を表明したシューマッハに代わり、マクラーレンから移籍のルイス・ハミルトン。かつてのカート時代の仲間とタッグを組む。

第4戦バーレーンGPから3戦連続ポールポジション。第6戦モナコGPではポール・トゥ・ウィンを飾り、自身通算2勝目を挙げる。父ケケも1983年のモナコGPで優勝しており、史上初のモナコGP親子優勝となった。また、タイヤトラブルが多発し、サバイバルレースとなったイギリスGPを制し、シーズン2勝を挙げた。結果として、チームメイトのハミルトンの後塵を拝する成績に終わったものの、随所で上回り自身の評価を上げるシーズンとなった。
2014年ハミルトンとの優勝争いが顕著に（2014年）

2014年のメルセデスのマシンは他を圧倒する速さを示しており、それを反映した成績を示している。ドイツGPでは初の母国勝利を達成（表彰台も初）。しかしこの年に入ると、前年から微妙であったルイス・ハミルトンとの仲がこじれるようになった。

モナコGPは「ラスカスゲート再び」と思わせるドライビング、さらにベルギーGPではハミルトンのマシンへ接触。この瞬間チームラジオでハミルトンははっきりと「ニコ・ヒット・ミー!」と伝えており、ハミルトンはリタイヤを余儀なくされたにも拘わらず、自身は2位でフィニッシュ。表彰式ではブーイングが飛び交ってしまう。イタリアGPではフェリペ・マッサとともに流暢なイタリア語を表彰式で披露し、イタリア語に堪能ではないハミルトンを置き去りにするなど確執が表面化している。ハンガリーでの4位とリタイア以外はすべて2位以上という抜群の安定感でポイントリーダーを維持していたがシンガポールグランプリではマシントラブルによりリタイア、このレースでハミルトンが優勝したことでランキングの逆転を許し、流れにのったハミルトンは5連勝、その後の4戦ではすべて2位を確保するも差は広がり続けた。逆風の中で迎えたブラジルグランプリでは3度のフリー走行、予選(Q1からQ3まで)のすべてのセッションでトップタイムを記録し、決勝でも終盤ハミルトンに詰め寄られながらもミスなく逃げ切って8戦ぶりの勝利を完璧なポール・トゥ・ウィンで飾ると、17ポイント差で最終戦に臨むこととなった。ダブルポイントのアブダビグランプリではポールポジションを獲得するもスタートでハミルトンにかわされ、そのまま追従する展開となるが、自らのブレーキングミスから危惧されていたERSのトラブルが発生、ブレーキも厳しくなり、ターボラグも酷くピットからのスタートもマニュアル操作で発進という状況に陥る。残り2周のところでマシンのトラブルが多すぎるため無線にてピットに戻りリタイアを促されるが「I would like to go to the end!(最後まで走りたい！)」と叫んでチーム側もこれを了承しハミルトンに周回遅れにされるという屈辱を味わいながらも14位で完走、逆転は叶わなかった。しかし表彰式前に直接ハミルトンの元を訪れて笑顔で祝福の言葉を述べ、シーズン中の確執は取り払われたように見える。
2015年

モナコGPではメルセデスの無線指示のミス[11]によるハミルトンの後退によって、なんとか優勝できたものの、その後ハミルトンには7戦連続でポールポジションを奪われてしまう。また、ドライバーズランキング首位を守り続けたハミルトンに対し、ロズベルグはマシン性能で劣るフェラーリ・ベッテルにランキング2位を脅かされながらの戦いであった。