Nico Rosberg podepsal 23. listopadu 2009 smlouvu s Mercedesem, jeho týmovým kolegou pak byl 23. prosince oznámen vracející se sedminásobný mistr světa Michael Schumacher. Týmu Williams Nico Rosberg poděkoval za dlouholetou podporu, avšak jako důvod svého odchodu uvedl, že si myslí, že Williams momentálně není schopen vyhrávat závody, které samozřejmě Rosberg vyhrávat chce. Většinu sezóny byl Rosberg lepší než Schumacher, porážel ho i v kvalifikacích, i v závodech. V kvalifikaci na Grand Prix Malajsie skončil 2. Bylo to poprvé, co se dostal do první řady. V samotném závodě dojel na 3. místě. Bylo to první pódium týmu Mercedes od jeho návratu. V následujícím závodě v Číně byl opět 3. Ve zbytku sezóny dojel na pódiu jen jednou, byl 3. v Grand Prix Velké Británie. Ve většině závodů však bodoval a posbíral celkem 142 bodů, které mu zajistily 7. místo v šampionátu.