En Belgique, après la pause estivale, Rosberg, après avoir réalisé la pole position, obtient sa première victoire sur le circuit des Ardennes, ce qui lui permet de revenir à neuf points de la tête du championnat. Une semaine plus tard en Italie, il s'élance deuxième mais profite du mauvais départ de Hamilton pour s'emparer de la tête et remporter la course. Le voilà revenu à deux points. À Singapour, pour son Grand Prix, il s'élance en pole position, remporte la course et reprend la tête du championnat. Dès le premier virage du Grand Prix de Malaisie, Sebastian Vettel l'envoie en tête à queue ; relégué en fond de classement, il remonte au fil des tours et termine troisième quand son équipier, qui caracole en tête, est victime d'une rarissime casse moteur à quinze tours de l'arrivée. C'est le tournant de la fin de saison puisque Rosberg porte son avance sur Hamilton à 23 points. Une semaine plus tard, Rosberg réalise sa trentième pole position et remporte, à Suzuka, sa vingt-troisième victoire ; il possède 33 points d'avance sur son plus proche rival au championnat. Pouvant gérer son avance lors des quatre derniers Grands Prix de la saison, il termine second du Grand Prix des États-Unis derrière son coéquipier et réitère sa performance au Mexique et lors du Grand Prix du Brésil, sous une pluie battante. À Abou Dabi, il s'élance de la deuxième place derrière son coéquipier ; après son arrêt au stand, et prend le meilleur sur le Néerlandais pour obtenir une nouvelle deuxième place ; au terme de l'épreuve, il devient, trente quatre ans après son père, champion du monde de Formule 1 en battant Hamilton de cinq points. Il est le troisième champion du monde sur Mercedes après Juan Manuel Fangio et Lewis Hamilton, le troisième allemand après Michael Schumacher et Sebastian Vettel et le deuxième fils de champion du monde à rejoindre son père au palmarès, le premier depuis Damon Hill en 1996.