2001-ben Heidfeld a Sauber-Petronas istállónál folytatta pályafutását, ahol az újonc Kimi Räikkönent kapta csapattársául. Heidfeld a szezon során 12 pontot gyűjtött és a világbajnokság hetedik helyén végzett, míg Räikkönen 9 ponttal tizedik lett. A német versenyző első dobogós helyezését is megszerezte: a brazil nagydíjon harmadik lett.