Dopo due stagioni come collaudatore, a inizio novembre 2009 la Williams lo promosse pilota titolare, ingaggiandolo al fianco dell'esperto Rubens Barrichello per la stagione 2010. La prima parte del Campionato non fu facile, anche a causa della scarsa competitività della vettura: nelle prime nove gare Hülkenberg conquistò solamente un punto nel Gran Premio della Malesia, nel quale era scattato dalla quinta posizione in griglia di partenza.