Auch in der Formel-1-Weltmeisterschaft 2009 bildeten Rosberg und Nakajima das Williams-Fahrerduo. Wie in allen vorherigen Saisons gelang Rosberg auch in diesem Jahr beim Saisonauftakt in Australien mit dem sechsten Platz eine Punkteplatzierung. Rosberg erreichte in der Saison zwar keine Podest-Platzierung, beendete jedoch elf von siebzehn Rennen in den Punkterängen. Zur Saisonmitte gelang es ihm bei acht aufeinanderfolgenden Grands Prix, Punkte zu erzielen. Sein bestes Ergebnis – zwei vierte Plätze – erzielte er in Deutschland und Ungarn. Rosberg beendete die Saison auf dem siebten Rang, der seine beste Gesamtplatzierung mit Williams war. Mit 34,5 zu 0 Punkten gewann Rosberg das interne Duell gegen Nakajima. Zum Ende der Saison verließ Rosberg Williams nach vier Jahren als Einsatzfahrer.