Nel 2009 la Williams, sfruttando gli importanti cambiamenti regolamentari imposti dalla FIA, riuscì a mettere in pista una vettura piuttosto competitiva. Nel Gran Premio d'Australia Rosberg conquistò il sesto posto al traguardo e fece segnare il giro più veloce in gara e nel Gran Premio della Malesia il pilota tedesco, scattato dalla quarta posizione in griglia, mantenne il comando del gruppo nella prima fase di gara, andando però in difficoltà per via della pioggia e scivolando in ottava posizione al momento della sospensione della gara, avvenuta dopo 33 giri a causa delle avverse condizioni meteo. A partire dal Gran Premio di Spagna Rosberg iniziò una serie di otto gare consecutive a punti, con due quarti posti come miglior risultato. Nel Gran Premio di Singapore il pilota tedesco fu in grado di contendere la vittoria a Lewis Hamilton, ma sbagliò la frenata all'uscita della corsia dei box dopo il primo rifornimento, oltrepassando la linea bianca che delimitava la corsia di accelerazione; ciò gli costò una penalità che compromise la sua gara, facendolo terminare fuori dalla zona punti. Nel Gran Premio del Giappone Rosberg ottenne l'ultimo piazzamento a punti stagionale, chiudendo il campionato in settima posizione con 34,5 punti.