しかしスペインGPはハミルトンと接触して両者リタイヤに終わると、4連覇がかかったモナコGPでは終始ペースが上がらず7位。ヨーロッパGPでは自身2度目のグランドスラムを達成したが、3連覇がかかるオーストリアGPでは最終周にまたしてもハミルトンと接触し、マシンにダメージを負って表彰台すら失った。続くイギリスGPではチームの無線指示のミスでペナルティを受けて3位に終わりハミルトンとの差は1ポイント差にまで詰められ、ハンガリーGPではポールポジションを獲得したもののスタートでハミルトンに抜かれてからトップを奪え返せないまま2位に終わり、ついにランキング首位の座をハミルトンに明け渡した。母国ドイツGPではポールポジションを獲得するがスタートのミスやペナルティなどで4位に終わり、ハミルトンに19ポイント差をつけられていた。だが夏休み明けのベルギーGPからは3連勝を飾り再び首位の座を奪い返している。マレーシアGPではスタート時の接触で最下位まで転落するがここから追い上げ3位を獲得。このレースでハミルトンがリタイアを喫したことがターニングポイントとなった。日本GPでは3年連続のポールポジションを獲得するとそのまま逃げ切り、2年間勝てなかった鈴鹿での初優勝を成し遂げた。ラスト4戦はハミルトンに4連勝を許したが、ロズベルグも2位に入り続けた結果、5ポイント差で初のワールドチャンピオンに輝いた。親子でのF1ワールドチャンピオンはヒル家（グラハム・ヒルとデイモン・ヒル）以来2例目、2世ドライバーとしてのF1ワールドチャンピオンはジャック・ヴィルヌーヴ以来3人目となる。