Le , il fait sensation au volant de la Williams FW24 lors d'essais privés effectués sur le circuit de Catalogne, près de Barcelone, pour le compte de l'écurie de Grove et son motoriste. Seulement âgé de 17 ans, Nico devient le plus jeune pilote à piloter une F1. Il court ensuite en Formule 3 Euro Series en 2003 et 2004, où une trop grande irrégularité l'empêche de s'affirmer comme un prétendant au titre (il ne fait pas mieux que quatrième en 2004), puis accède en 2005 au premier championnat de GP2 Series (discipline qui a remplacé le championnat de Formule 3000). Intégré à l'écurie française ART Grand Prix, Rosberg connait un début de saison laborieux mais s'affirme comme l'homme fort du championnat à partir de l'été. À l'issue d'un final à suspense, il remporte le titre en battant Heikki Kovalainen. Le , en marge du Grand Prix de Saint-Marin, Williams annonce le recrutement de Nico comme pilote essayeur. Cinq jours plus tard, le , il fait ses premiers tours de pilote essayeur au volant de la FW27 sur le circuit de Silverstone.