2009–2010: Williams

W latach 2008–2009, poza startami w juniorskich seriach, pełnił również rolę kierowcy testowego ekipy Williams. W 2009 roku pierwszy testował bolid Williams FW31. Dzięki mistrzostwie w serii GP2 dostał angaż w brytyjskim zespole AT&T Williams. Jego partnerem zespołowym został Rubens Barrichello. Podczas inauguracyjnego wyścigu o Grand Prix Bahrajnu Hülkenberg zajął trzynaste miejsce w kwalifikacjach. Przez błąd na początku wyścigu i spadek na koniec stawki, wyścig ukończył na czternastym miejscu. W następnym wyścigu w Australii zakwalifikował się na piętnastym miejscu. Podczas kwalifikacji do Grand Prix Malezji uzyskał piąty czas. Wyścig udało mu się ukończyć na dziesiątym miejscu zdobywając tym samym pierwszy punkt w karierze. Do wyścigu w Chińskiej Republice Ludowej startował szesnasty, a wyścig ukończył na miejscu piętnastym. W Grand Prix Hiszpanii w kwalifikacjach osiągnął trzynaste miejsce, wyścig zakończył na szesnastej pozycji. Do wyścigu o Grand Prix Monako wystartował jedenasty lecz podczas jazdy w tunelu na pierwszym okrążeniu rozbił bolid. Podczas kwalifikacji do Grand Prix Turcji osiągnął siedemnasty czas, wyścig zakończył także na tej pozycji. W Grand Prix Kanady zakwalifikował się na dwunastym miejscu. Wyścig zakończył na trzynastej pozycji. Do Grand Prix Europy, Hülkenberg startował z ósmego miejsca. Ustanowił ten sam czas co jego partner zespołowy Rubens Barrichello, ale dlatego, że jako pierwszy Hülkenberg przekroczył linię mety, to on wystartował ósmy, a nie dziewiąty. Przez pożar bolidu nie ukończył wyścigu. Startując trzynasty do wyścigu na Silverstone w Wielkiej Brytanii zdobył kolejny punkt w swej karierze dojeżdżając na dziesiątym miejscu. W wyścigu w Niemczech przez kłopoty z bolidem, wyścig Hülkenberg skończył na trzynastym miejscu. Grand Prix Węgier ukończył na szóstej pozycji. W Belgii był czternasty, a we Włoszech i Singapurze po raz kolejny zdobył po punkty. Na Monzy były to cztery punkty za siódme miejsce, a w Singapurze jedno. Podczas startu do Grand Prix Japonii na pierwszym okrążeniu w bolid Niemca uderzył Witalij Pietrow, uszkadzając mu zawieszenie i tym samym kończąc jego wyścig. W wyścigu w Korei Południowej zajął 10. miejsce. W kwalifikacjach do Grand Prix Brazylii na torze Interlagos zdobył pole position z przewagą ponad sekundy nad drugim Sebastianem Vettelem. Wyścig ten zakończył na ósmym miejscu za Nico Rosbergiem i przed Robertem Kubicą. Do Grand Prix Abu Zabi zakwalifikował się na piętnastym miejscu a wyścig zakończył na miejscu szesnastym. Sezon zakończył na 14. miejscu z 22. punktami.

2011–2012: Force India

Na sezon 2011 Williams nie przedłużył kontraktu z Niemcem. Ponadto ogłoszono tę decyzję tak późno, że Hülkenberg nie zdołał znaleźć pracodawcy. Sezon ten spędził więc jako kierowca testowy w ekipie Force India. Z tym samym zespołem podpisał kontrakt kierowcy wyścigowego w sezonie 2012. Jego najwyższymi lokatami były czwarte miejsce podczas Grand Prix Belgii oraz piąte miejsca Walencji i w Brazylii. Z dorobkiem 63 punktów ukończył sezon na jedenastym miejscu w klasyfikacji generalnej.

2013: Sauber

W 2013 roku Niemiec przeniósł się do Szwajcarskiej ekipy Sauber. Po raz kolejny jednak czekał go zawód. Sauber przestał być, w odróżnieniu od poprzedniego sezonu, liczącą się w stawce ekipą. Ponadto z powodu kłopotów finansowych Niemiec nie otrzymywał w ogóle pensji. Z tego też powodu zespół dał Hülkenberg wolną rękę w szukaniu nowego pracodawcy. Sytuacja nieco polepszyła się pod koniec sezonu, kiedy to Niemiec nawet otarł się o podium podczas Grand Prix Korei Południowej, a w innych wyścigach zajmował piąte-szóste pozycje. Ponadto polepszyła się sytuacja finansowa zespołu. Jednak ostatecznie Hülkenberg zdecydował się na zmianę ekipy, ogłaszając powrót do Force India.

Od 2014: Force India

FIA World Endurance Championship