Hülkenberg a fait ses débuts en karting en 1997 à l'âge de 10 ans et a ensuite gravi les échelons jusqu’à atteindre la Formule 1 en 2007.

Issu du karting, l'Allemand a commencé à courir en Formule BMW allemande en 2005. Il a dominé le championnat et a remporté le titre avec une relative facilité. Il a remporté la finale mondiale, mais a ensuite été dépouillé de ce succès car il a été jugé qu'il avait testé les freins de ses rivaux sous la voiture de sécurité.

Pour la saison 2006/07, Hulkenberg rejoint l'équipe allemande du Grand Prix A1. Il a remporté neuf victoires en course au cours de sa saison rookie, faisant de lui le jeune pilote le plus titré de l'histoire de l'A1GP.

Le chapitre suivant de sa carrière automobile allemande a été de participer à la Formule 3. Il a terminé la saison en 5ème position et a remporté plusieurs victoires.

Lors de sa première saison en GP2, Hülkenberg a remporté la série et a immédiatement attiré l'attention des pilotes de Formule 1. Il a remporté le titre avec encore deux courses à disputer, devenant ainsi le premier pilote à le faire en GP2.

« The Hulk » était dirigé par le célèbre manager Wili Weber, qui a également supervisé la carrière de Michael Schumacher. Weber a déclaré que Hülkenberg serait en Formule 1 d'ici 2008 et qu'il avait décrit le pilote comme un « talent incroyable ».

Hülkenberg a piloté pour la première fois une voiture de Formule 1 en 2007 lorsqu'il testait pour Williams. Wili Weber avait initialement tenté de confier à Hülkenberg un rôle de test chez Renault, mais l'accord n'a pas abouti. Hülkenberg a tellement impressionné Williams au cours des deux jours d'essais qu'ils l'ont officiellement engagé comme pilote d'essai.

En 2010, il a signé pour un siège de course à temps plein chez Williams. Hülkenberg a bien piloté pour l'équipe et a réussi à décrocher la première pole position de Williams depuis 2005 au Grand Prix du Brésil. Cependant, Frank Williams a annoncé que Hülkenberg ne conduirait pas pour Williams en 2011, car d'autres pilotes pourraient offrir plus d'argent.

En 2011, Hulkenberg est devenu pilote de réserve de Force India et effectuait souvent des tests pour l'équipe lors des séances d'essais du vendredi.

Il a été annoncé que pour la saison 2012, il rejoindrait Paul Di Resta dans un siège de course avec l'équipe. Hülkenberg a toujours été plus rapide que son coéquipier et a connu une excellente saison pour Force India en terminant 17 points devant Di Resta et en le qualifiant 12 fois.

Pour la saison 2013, Hülkenberg courrait pour Sauber et a encore une fois réalisé une solide saison, prouvant qu'il méritait sa place en Formule 1.

En 2014, il est revenu chez Force India et est resté avec l'équipe pendant trois saisons. Hülkenberg conduisait aux côtés de Sergio Perez et chaque année, l'équipe augmentait au classement des constructeurs. En 2016, Hulkenberg était toujours avec l’équipe et l’a aidé à atteindre le statut de « meilleur des autres » en terminant la saison quatrième au championnat des constructeurs.

Pour la saison 2017, Nico Hulkenberg a signé pour Renault et a roulé aux côtés de Jolyon Palmer. En 2018, Hülkenberg est resté dans l'équipe et a couru avec Carlos Sainz comme coéquipier.

Pour la saison 2019, Daniel Ricciardo a rejoint l'équipe et les deux espéraient pouvoir aider Renault à revenir au sommet de la Formule 1. Cela ne s'est pas avéré être le cas et Hülkenberg a été mis sur la touche.

Hülkenberg n'a pas obtenu les résultats de ses rêves avec Renault en 2019. Il a été éclipsé par Ricciardo et a dû se contenter de la 14e place au classement général, le deuxième plus bas résultat de sa carrière en F1. Il ne revient pas sur les circuits l'année suivante.

Pour Hülkenberg, son aventure en F1 semblait terminée, mais son statut de pilote de réserve pour toutes les équipes propulsées par Mercedes lui offrirait des opportunités inattendues. Le premier a eu lieu en 2020, où il a remplacé Sergio Pérez lorsque le Mexicain a été frappé par le coronavirus. Plus tard cette année-là, il a été rappelé lorsque Lance Stroll a également été testé positif.

Une autre opportunité s’est présentée au début de la saison 2022 de F1. Cette fois, c'est Sebastian Vettel qui a dû manquer les deux premières courses de l'année, laissant Hülkenberg être appelé pour le remplacer à Bahreïn et en Arabie Saoudite.

Ses bonnes prestations ont convaincu Günther Steiner et Haas de le propulser pilote principal pour 2023. Si Hulkenber s’est imposé face à Kevin Magnussen dans son duel interne, il n’a pu faire mieux que 16ème au championnat avec 9 petits points. La gestion des pneus et la fiabilité douteuse de sa monoplace ont eu raison de ses espoirs lors des Grand Prix.

Hülkenberg semble bien parti pour batailler de nouveau dans le fond de la grille. Haas et son budget de petit poucet n’a pas les moyens de viser autre chose que de ne pas finir dernière au championnat constructeurs. Avec le plus grand nombre de départs sans podium, le pilote allemand a à son actif un record non désiré, auquel il espère mettre un terme dans le futur.