2010 wechselte Rosberg zu Mercedes Grand Prix. Der Rennstall war aus dem Weltmeisterteam Brawn hervorgegangen und Mercedes trat damit erstmals seit 1955 als Konstrukteur auf. Rosbergs Teamkollege wurde Michael Schumacher, der in die Formel 1 zurückkehrte. Bei den Großen Preisen in Malaysia, China und Großbritannien stand Rosberg als Dritter auf dem Podium. Es waren die einzigen Podest-Platzierungen von Mercedes in diesem Jahr. Beim Großen Preis von Ungarn fiel Rosberg durch einen Zwischenfall in der Boxengasse aus. Seinem Team missglückte sein Boxenstopp, und er verlor sein rechtes Hinterrad in der Boxengasse. Das Rad sprang durch die Boxengasse und verletzte einen Williams-Mechaniker. Er musste das Rennen infolge des Zwischenfalls beenden und erreichte zum ersten Mal in der Saison nicht das Ziel. Rosberg kam nur bei vier Rennen nicht in die Top-10, wobei er dabei dreimal nicht ins Ziel kam. Rosberg belegte am Saisonende den siebten Platz in der Fahrerweltmeisterschaft. Das teaminterne Duell gegen Schumacher entschied er mit 142 zu 72 Punkten deutlich für sich.