Non confermato dalla BMW Sauber, Heidfeld sembrò inizialmente favorito per affiancare Nico Rosberg nell'appena costituito team Mercedes nel campionato 2010, ma poi gli fu preferito il rientrante Michael Schumacher. Rimasto senza un volante in seguito al fallimento di una seconda trattativa con la Renault, Heidfeld assunse il ruolo di terzo pilota alla Mercedes. Dall'agosto 2010 fu ingaggiato dalla Pirelli per testare, su una Toyota TF109, gli pneumatici da fornire ai partecipanti al 2011. Perse questo incarico quando fu chiamato da Peter Sauber a sostituire Pedro de la Rosa a cinque gare dal termine del campionato, a partire dal Gran Premio di Singapore. Dopo essersi ritirato per incidente nella gara di rientro, Heidfeld ottenne due piazzamenti a punti nei gran premi di Giappone e Corea, nei quali giunse ottavo e nono rispettivamente. Questi risultati non portarono però a una riconferma alla Sauber per il 2011, infatti il nuovo compagno di scuderia di Kobayashi sarà Sergio Pérez.