Kaudella 2010 Hülkenberg toimi Williamsin GP-kuljettajana. Hän saavutti ensimmäisen pisteensä kauden kolmannessa osakilpailussa Malesiassa sijoituttuaan kymmenenneksi. Kauden toiseksi viimeisen kilpailun aika-ajoissa Brasiliassa hän otti yllättäen paalupaikan vaihtelevissa olosuhteissa noin sekunnin erolla ennen Sebastian Vetteliä. Hülkenbergin paalun erityisyyttä kuvastaa se, että hän olisi saanut paalun ennen viimeistä kierrostaan noin sekunnin kymmenyksen erolla, mutta viimeisellä aikakierroksellaan sai venytettyä eron sekuntiin. Kilpailussa hän sijoittui kahdeksanneksi. Kauden parhaaksi sijoitukseksi jäi Unkarin GP:n kuudes sija. Hän saavutti 22 pistettä ja sijoittui loppupisteissä 14:ksi. Kauden jälkeen Williams ilmoitti korvaavansa Hülkenbergin Pastor Maldonadolla.