Jabarkan 2001-2003: Sauber-Petronas dari Nick Heidfeld

Tahun berikutnya, di 2001, Nick berhasil mencetak debut podium pertamanya dengan meraih tempat ketiga di Brazil. Ia lalu berhasil mengumpulkan total 12 poin dan berada di posisi ke-8 klasemen pembalap. Dan bersama rekan setimnya, Kimi Raikkonen, ia membantu mendongkrak Sauber hingga ke posisi ke-4 klasemen konstruktor, hasil terbaik yang pernah dicapai Sauber. Di GP Monza, di mana Mika Hakkinen mengumumkan pengunduran dirinya, Nick sangat berharap bahwa tim McLaren akan menariknya. Sayangnya harapan tersebut pupus setelah secara mengejutkan McLaren lebih memilih Kimi Raikkonen sebagai pengganti Mika untuk musim 2002.

Nick masih bertahan di musim 2002 dengan rekan setim Felipe Massa. Sayang, tim terpaksa turun ke posisi lima dan Nick hanya berhasil mengumpulkan tujuh poin secara keseluruhan. Hasil finish terbaik Heidfeld di musim 2002 didapat saat ia finish P4 di Spanyol dan P5 di Malaysia. Masuk ke musim 2003, Nick memperoleh rekan setim yang lebih berpengalaman, Heinz-Harald Frentzen, yang juga merupakan rekan senegaranya. Namun, persaingan yang ketat serta kendala teknis tak mampu membuat Nick meraih satu podium pun dan hanya menempati posisi ke-14 klasemen pembalap dengan enam poin. Hasil finish terbaiknya adalah saat ia finish P5 di AS di mana di sisi lain rekan setimnya, H-HF mampu meraih podium.