Root, 25, gjorde sin Notts debut 2016 och hans genombrott kom den här säsongen när han gjorde 107 från 93 bollar mot Warwickshire i One-Day Cup.
Bowler Luke Fletcher har också tecknat ett nytt tvåårigt avtal på Trent Bridge.
Fletcher, 28 år, slogs i huvudet när han bowlade i Edgbaston i juli - en skada som slutade hans säsong.
Innan händelsen, tog han 36 wickets vid 22.44 för att hjälpa Notts flytta klart på toppen av County Championship Division 2.
"Det är ett välförtjänt kontrakt för Luke på grund av vad han har gjort de senaste tolv månaderna", sade Notts huvudtränare Peter Moores.
"Han har gått bort och tittade ganska hårt på vad han kan göra för att få in sig i laget.
"Vi har sett resultatet av det på det sätt han skålade i första delen av County Championship."
Root kom genom Yorkshire Academy innan han släpptes 2011 och gick med i MCC Young Cricketers.
Han är nu en regelbunden i White-ball cricket för Notts och Moores vill att han ska driva på för en plats i fyra dagar laget.
"Han har varit en effektiv spelare för oss, särskilt i en dag cricket," Moores fortsatte.
"Vi letar efter honom att nu driva på i både vit och röd-boll cricket efter att ha arbetat mycket hårt för denna möjlighet."
Billy Root, den yngre brodern av England kapten Joe, har undertecknat sitt första professionella kontrakt, att godkänna ett tvåårigt avtal med Nottinghamshire.