À partir de 2013, il fait équipe avec Lewis Hamilton. L'ère des moteurs V6 turbo hybrides qui s'ouvre en 2014 marque le début d'une période de domination totale de Mercedes, avec qui il remporte et réalise 30 pole positions. Deux fois vice-champion du monde derrière son coéquipier en 2014 et 2015, Rosberg réussit entre la fin de la saison 2015 et le début de la suivante, une série de sept victoires consécutives qui lui permet de rejoindre Alberto Ascari et Michael Schumacher, à deux succès du record de Sebastian Vettel. Le à Abou Dabi, au terme d'une saison où il s'est imposé neuf fois, a obtenu seize podiums et totalisé , Nico Rosberg remporte le titre de champion du monde, 34 ans après son père. Sous contrat avec son écurie pour les saisons 2017 et 2018, il décide toutefois de prendre sa retraite sportive le , cinq jours après avoir atteint son rêve d'enfance.