Après trois saisons dans l'équipe indienne, Hülkenberg rejoint Renault F1 Team en 2017. Malgré des performances honorables, il détient, depuis le Grand Prix de Singapour 2017, le record du nombre de participations en Grands Prix sans être monté sur le podium, détrônant Adrian Sutil. Sa carrière en Formule 1 s'arrête à la fin de la saison 2019, puisqu'il est remplacé par Esteban Ocon pour l'exercice suivant. Il totalise 177 Grands Prix, une pole position, deux meilleurs tours, 511 points et 43 tours en tête. En 2020, il est de retour pour deux courses en Grande-Bretagne avec Racing Point pour remplacer Sergio Pérez, atteint du Covid-19, puis Lance Stroll pour le Grand Prix automobile de l'Eifel 2020.